隨著閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，閃存卡(Flash Memory)以它卓越的容量體積比、便攜性和易操作性等優(yōu)勢，已經(jīng)取代軟盤、光盤而成為移動存儲領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的存儲設(shè)備。閃存卡是一種非揮發(fā)性存儲介質(zhì)，它具有功耗低、密度高、體積小、掉電后數(shù)據(jù)不丟失、可擦除、可靠性高、單位存儲容量價格便宜等特點。另外，閃存卡因為沒有像硬盤一樣的機械結(jié)構(gòu)，顯著降低了發(fā)生故障和被損壞的可能性，因此還經(jīng)常被現(xiàn)在的一些室外工控機" title="工控機">工控機用作主系統(tǒng)設(shè)備。閃存卡有很多種類型，主要有CF卡、SD卡、MMC卡、記憶棒、SM卡、XD卡等，其中，CF卡應(yīng)用最為常見[2~5]。
　　由于CF卡的非機械結(jié)構(gòu)及其體積小、穩(wěn)定性高的特點，使它在具有一些特殊用途的工控機(如安裝在戶外或者移動車上的工控機)中比普通硬盤具有更好的應(yīng)用前景，以至于越來越多的工控機用CF卡代替硬盤裝載系統(tǒng)和存儲數(shù)據(jù)。但當CF卡損壞后，重裝系統(tǒng)比較麻煩，而且有些系統(tǒng)驅(qū)動程序可能拿不到，所以設(shè)計一種CF卡之間的復(fù)制系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩塊相同的CF卡之間的備份，從而避免了重新安裝系統(tǒng)和驅(qū)動程序，節(jié)約了用戶的時間。此外，現(xiàn)今的CF卡讀卡器只能對Windows系統(tǒng)文件進行復(fù)制操作，無法有效地復(fù)制操作系統(tǒng)和驅(qū)動文件。而這里設(shè)計的這套CF卡復(fù)制系統(tǒng)也可實現(xiàn)CF卡之間的文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的復(fù)制。
1 CF卡物理結(jié)構(gòu)
　　CF卡的全稱為“Compact Flash”卡。Compact Flash技術(shù)是Compact Flash協(xié)會提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術(shù)。CF卡采用間距50mil的50針腳雙列封裝，其電氣特性符合ATA規(guī)范^[3]。CF卡內(nèi)部集成了單片機控制器和閃存單元。控制器單元用于在外部主機與內(nèi)部閃存單元之間進行數(shù)據(jù)交換" title="數(shù)據(jù)交換">數(shù)據(jù)交換和傳遞。內(nèi)部閃存單元的數(shù)量可根據(jù)CF卡的容量大小進行相應(yīng)地增減。目前CF卡最大存儲容量可達到2~3GB。CF卡的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 CF卡基本工作原理
　　CF卡可以工作在三種模式下：(1)PC卡ATA I/O模式；(2)PC卡ATA存儲模式；(3)實IDE模式。其中，實IDE模式和硬盤的驅(qū)動器完全匹配。
　　CF卡有兩種尋址模式：CHS(柱面/磁頭/扇區(qū))尋址模式和LBA(邏輯塊地址)尋址方式。CHS尋址模式是通過柱面、磁頭和扇區(qū)尋址的，最小的尋址單位是一個扇區(qū)。在CHS尋址模式下，主機通過輸入柱面、磁頭和扇區(qū)號碼尋址某一個扇區(qū)；而在LBA尋址方式下，CF卡按照連續(xù)序列的邏輯扇區(qū)編號進行尋址，主機不必知道CF卡的物理幾何結(jié)構(gòu)，而且能訪問的扇區(qū)從0柱面、0磁頭、1扇區(qū)開始，但無法訪問系統(tǒng)的隱藏扇區(qū)^[5]。
　　CF卡有50個引腳，主要用到的引腳有：A10～A0，十一根地址線，在PC卡ATA存儲模式下，僅用到A2～A0三根地址線，用于尋址CF卡內(nèi)部控制器中的寄存器空間；D15～D0，CF卡的十六根數(shù)據(jù)線，具體傳輸數(shù)據(jù)時可選擇16位或8位傳輸；-CE1、-CE2引腳，用于指示是CF卡的字節(jié)操作還是字操作；-REG是寄存器選擇信號，這個信號在內(nèi)存周期中使用，用來區(qū)分是普通內(nèi)存還是屬性寄存器；-OE是讀信號；-WE是寫信號。
　　單片機和內(nèi)部閃存空間進行數(shù)據(jù)交換是通過CF卡的八個屬性寄存器實現(xiàn)的。在PC卡ATA存儲模式下，CF卡屬性寄存器組的具體功能和地址分配見表1^[1,4]。

　　CF-ATA的基本命令有30余條，主要有數(shù)據(jù)的傳輸命令，包括扇區(qū)、緩沖區(qū)的讀寫命令等。下面以讀命令為例說明CF卡工作過程及其信號時序。
　　在CF卡上電初始化后，主機判斷CF卡是否空閑，具體的就是查詢CF卡狀態(tài)寄存器" title="狀態(tài)寄存器">狀態(tài)寄存器的RDY位，如果為0，表示CF卡空閑，可以準備接收命令。然后，主機向CF卡填寫地址寄存器塊的信息，包括扇區(qū)數(shù)寄存器、扇區(qū)號寄存器、柱面號寄存器(低和高字節(jié))、磁頭寄存器等，選擇訪問的扇區(qū)地址。接著，主機向CF卡命令寄存器中寫入讀(20h)命令。CF卡收到讀命令后，驅(qū)動器設(shè)置狀態(tài)寄存器的BSY位，CF卡把一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)調(diào)入到扇區(qū)緩沖區(qū)中；然后驅(qū)動器設(shè)置狀態(tài)寄存器的DRQ位，清除BSY位。這樣，主機就可以從扇區(qū)緩沖區(qū)中循環(huán)讀出一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。扇區(qū)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出后，驅(qū)動器設(shè)置BSY位，同時清除DRQ信號。然后再以此方式讀出下一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)^[5]。
3 CF卡復(fù)制系統(tǒng)的設(shè)計
　　CF卡復(fù)制系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用89S52作為CPU，一片74HC373作為地址鎖存器，一片74HC138作為譯碼器。系統(tǒng)中擴展一塊RAM作為存放CF卡數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，用于兩塊CF卡之間進行數(shù)據(jù)交換和復(fù)制。單片機和CF卡以及其它器件的連接如圖2所示。P0.0～P0.7作為數(shù)據(jù)線，與擴展的RAM以及CF卡進行數(shù)據(jù)交換和傳輸。由于單片機僅有八根數(shù)據(jù)線，因此CF卡采用字節(jié)讀寫方式，以方便與單片機進行數(shù)據(jù)交換。擴展的RAM的低八位地址線由單片機的數(shù)據(jù)線P0.0～P0.7經(jīng)過鎖存器輸入后控制，而最高兩位地址線則由P2.0～P2.1控制。單片機的P2.2～P2.4用于連接CF卡的地址線A0～A2，用于尋址CF卡屬性寄存器。單片機的讀寫信號使能端和CF卡的讀寫使能端相連。74HC138譯碼器用于控制兩塊CF卡和RAM的選通信號。

　　在這里，讓CF卡工作在PC卡ATA存儲模式下，并且使用LBA(邏輯塊地址)尋址方式進行數(shù)據(jù)讀寫。讀寫數(shù)據(jù)的軟件流程圖如圖3所示。先給系統(tǒng)上電，判斷CF卡是否準備好。然后往CF卡的屬性寄存器中填入讀寫扇區(qū)的起始地址和讀寫的扇區(qū)數(shù)，再往命令寄存器中填寫讀命令。填寫完屬性寄存器后，單片機通過不斷查詢CF卡狀態(tài)寄存器的DRQ位，來判斷數(shù)據(jù)是否準備好，一旦準備好就從CF卡的扇區(qū)緩沖區(qū)中循環(huán)讀出512字節(jié)的數(shù)據(jù)到外部RAM中存放起來。然后類似地把RAM中的一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到另外一塊CF卡的相應(yīng)扇區(qū)中去。

　　該復(fù)制設(shè)備系統(tǒng)中兩塊CF卡的容量不等，該系統(tǒng)是把32MB的CF卡內(nèi)容復(fù)制到256MB的CF卡中去。該系統(tǒng)版圖中還包括了和計算機相連的串口" title="串口">串口調(diào)試系統(tǒng)，使得可以通過計算機串口實時監(jiān)測CF卡復(fù)制進程和成功與否。
　　該CF卡復(fù)制系統(tǒng)可以對兩塊同樣容量的CF卡進行完全或者部分復(fù)制，并且還可以將小容量的CF卡的數(shù)據(jù)復(fù)制到大容量的CF卡中去。對于不同廠家生產(chǎn)的CF卡，該系統(tǒng)在復(fù)制時也無任何問題。通過該系統(tǒng)把裝有Windows NT嵌入式系統(tǒng)的CF卡復(fù)制到另外一塊CF卡后，復(fù)制的新卡也能夠成功啟動工控機，并且原有安裝的程序和驅(qū)動程序以及所有的數(shù)據(jù)都完全被成功復(fù)制。