AT24C512的工作原理是什么？單片機(jī)是怎樣對(duì)AT24C512中的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理的？

在由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能儀器儀表當(dāng)中，往往有大量數(shù)據(jù)要保存。隨著測(cè)控系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了更高的要求，因而用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器容量也越來(lái)越大。但是，在增大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的同時(shí)，人們也希望能更便捷高效地操作其中的數(shù)據(jù)（包括瀏覽、添加和刪除等），即像PC機(jī)上管理數(shù)據(jù)一樣簡(jiǎn)單易行。然而，單片機(jī)以及用于保存數(shù)據(jù)的芯片本身并沒有提供這種功能，為此，需要開發(fā)一種用于管理單片機(jī)數(shù)據(jù)的有效方法。本文在吸取PC機(jī)文件管理思想的基礎(chǔ)上，以AT24C512為例，構(gòu)造了一種類似于文件系統(tǒng)的用于管理單片機(jī)數(shù)據(jù)的方法，大大提高了數(shù)據(jù)操作的效率。

1 AT24C512介紹

AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電可擦的可編程存儲(chǔ)器，內(nèi)部有512頁(yè)，每一頁(yè)為128字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000～0FFFFH。它采用8引腳封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，可以在2線總線上并接4片芯片，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此在測(cè)控系統(tǒng)中被大量采用。

AT24C512的封裝如圖1所示，各引腳的功能如下：

①A0、A1——地址選擇輸入端。在串行總線結(jié)構(gòu)中，如需連接4個(gè)AT24C512芯片，則可用A0、A1來(lái)區(qū)分各芯片。A0、A1懸空時(shí)為0。

②SDA——雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。用于存儲(chǔ)器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

③SCL——串行時(shí)鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，而在下降沿從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)并送往SDA。

④WP——寫保護(hù)輸入。此引腳與地相連時(shí)，允許寫操作；與VCC相連時(shí)，所有的寫存儲(chǔ)器操作被禁止。如果不連，該腳將在芯片內(nèi)部下拉到地。

⑤VCC——電源。

GND接地。NC懸空。

（1）與單片機(jī)接口

由于AT24C512沿襲了AT24C系列的接口特性，因此與單片機(jī)的連接也可沿襲傳統(tǒng)方法。一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接地單片機(jī)的P1口，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)AT24C512的操作。

（2）設(shè)備選址

在對(duì)AT24C512開始操作前，需要先發(fā)一個(gè)8位的地址字來(lái)選擇芯片以進(jìn)行讀寫。設(shè)備地址字格式如圖2所示。其中“10100”為固定的5位二進(jìn)制；A0、A1用于對(duì)多個(gè)AT24C512加以區(qū)分；R/W為讀寫操作位，為1時(shí)表示讀操作，為0時(shí)表示寫操作。

（3）寫操作

AT24C512的寫操作有寫字節(jié)和寫頁(yè)兩種方式。寫字節(jié)時(shí)通常在向AT24C512發(fā)送設(shè)備地址字并接到應(yīng)答信號(hào)后，還需要發(fā)送2個(gè)8位地址來(lái)選擇要寫數(shù)據(jù)的地址。AT24C512接收到這個(gè)地址后會(huì)應(yīng)答一個(gè)零信號(hào)，然后接收8位數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，并再返回一個(gè)零應(yīng)答信號(hào)。

在寫頁(yè)方式時(shí)，AT24C512可以一次性寫入一頁(yè)128字節(jié)。其初始化過(guò)程與寫字節(jié)的方法基本相同。不同的是：當(dāng)寫入一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，單片機(jī)不發(fā)停止?fàn)顟B(tài)，而是在應(yīng)答信號(hào)后接著輸入127個(gè)字節(jié)；每一個(gè)字節(jié)接收完畢后，AT24C512則照樣輸出一個(gè)零應(yīng)答信號(hào)。

（4）讀操作

讀操作有當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀、讀串三種方式。其初始化過(guò)程基本與寫操作相同，只是在設(shè)備選擇字中的最低位要改成讀而已。在當(dāng)前地址讀操作方式時(shí)，內(nèi)部數(shù)據(jù)的地址將保持在最后的讀寫操作地址加1上，直到讀到最后字節(jié)后又回到最開始的位置。而隨機(jī)讀操作之前先要向AT24C512寫入一個(gè)字節(jié)地址，然后才能讀。讀串操作既可以是當(dāng)前地址讀，也可以是隨機(jī)地址讀。當(dāng)單片機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)字后，會(huì)回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。AT24C512在接收到應(yīng)答信號(hào)后會(huì)將地址加1，接著輸出下一個(gè)字節(jié)。當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)但不送應(yīng)答信號(hào)時(shí)，讀過(guò)程結(jié)束。

2 文件系統(tǒng)構(gòu)成

為了有效地管理AT24C512中的數(shù)據(jù)，筆者仿效PC機(jī)中的文件管理機(jī)制，為AT24C512構(gòu)造了一個(gè)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)?？紤]到測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求和硬件資源的有限性，采用了二級(jí)樹形目錄組織。

為了管理數(shù)據(jù)方便 ，把AT24C512的物理空間劃分為1024個(gè)邏輯頁(yè)，每頁(yè)64字節(jié)。按照文件系統(tǒng)的需要，把AT24C512的全部空間劃分為三部分：數(shù)據(jù)區(qū)，占用最后的960頁(yè)；頁(yè)面分配區(qū)，占用中間的30頁(yè)；目錄區(qū)，占用前面的24頁(yè)。

（1） 數(shù)據(jù)區(qū)

AT24C512最后面的960頁(yè)作為數(shù)據(jù)區(qū)，其序號(hào)從0開始編號(hào)。該區(qū)作為文件數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域，在存放文件數(shù)據(jù)時(shí)，從該區(qū)內(nèi)分配若干頁(yè)，每次存儲(chǔ)一頁(yè)。

（2）頁(yè)面分配區(qū)

頁(yè)面分配區(qū)記錄了數(shù)據(jù)區(qū)每一頁(yè)的分配情況。該區(qū)中每2字節(jié)組成一個(gè)記錄項(xiàng)，共有960個(gè)記錄項(xiàng)（30×64/2）。記錄項(xiàng)從0開始編號(hào)，每一個(gè)記錄項(xiàng)對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)頁(yè)的使用情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)文件的數(shù)據(jù)往往大于64字節(jié)，這樣一個(gè)文件的數(shù)據(jù)區(qū)中需占用多個(gè)頁(yè)。但隨著文件的增刪，數(shù)據(jù)區(qū)的空閑空間出現(xiàn)不連續(xù)的狀況，因而數(shù)據(jù)區(qū)的分配并不能保證連續(xù)，而是根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)的使用情況來(lái)決定某一部分文件內(nèi)容應(yīng)該放在哪一頁(yè)上。為了把這些分散的數(shù)據(jù)有機(jī)連接起來(lái)，把記錄項(xiàng)按照鏈表的形式組織起來(lái)，每個(gè)文件對(duì)應(yīng)著一個(gè)鏈表，鏈表中每個(gè)結(jié)點(diǎn)為一個(gè)記錄項(xiàng)，記錄項(xiàng)的內(nèi)容為下一個(gè)記錄項(xiàng)的編號(hào)，最后一個(gè)記錄項(xiàng)的內(nèi)容為0FFFFH，表示鏈表結(jié)束。把這些記錄項(xiàng)對(duì)應(yīng)的頁(yè)面連接起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)文件的完整數(shù)據(jù)。

另外，如果記錄項(xiàng)的內(nèi)容為0EEEEH，表示其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)未分配。

（3）目錄區(qū)

目錄區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)文件的主要信息。根據(jù)這些信息可以知道文件名、文件生成的日期以及文件的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)中的存儲(chǔ)首地址。文件目錄項(xiàng)的結(jié)構(gòu)如下：

①文件名。文件名由4字節(jié)雙BCD碼構(gòu)成，在生成該文件時(shí)由鍵盤輸入數(shù)字（硬件上鍵盤只提供了數(shù)字鍵）作為文件名，并由程序自動(dòng)把它們轉(zhuǎn)換成雙BCD碼。在需要顯示時(shí)，再把它們分解成8字節(jié)單BCD碼供顯示。

②文件生成日期。占用4字節(jié)，按照雙BCD碼的格式存儲(chǔ)，如20H、04H，03H、20H則表示2004年3月20日。日期可由鍵盤輸入或通過(guò)時(shí)鐘芯片獲取。

③文件首地址。指示在給該文件分配空間進(jìn)，分配給它的第一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)的序號(hào)，即它對(duì)應(yīng)的鏈表的第一個(gè)記錄項(xiàng)的編號(hào)。

目錄區(qū)共占用24頁(yè)。由于每個(gè)文件信息只占用10字節(jié)，則在此文件系統(tǒng)中，最多可存儲(chǔ)153（24×64/10）個(gè)文件。目錄區(qū)、頁(yè)面分配區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的邏輯關(guān)系如圖3所示。

以圖3為例，說(shuō)明該文件系統(tǒng)如何獲取文件數(shù)據(jù)：

①在目錄區(qū)中根據(jù)文件名找到包含該文件名的目錄項(xiàng)，從而獲取該文件的屬性及其首地址。如文件“00000103”的日期為2003年11月24日，其首地址為0005H。

②根據(jù)文件的首地址，在頁(yè)面分配區(qū)中找到該記錄項(xiàng)0005H。在該記錄項(xiàng)中存儲(chǔ)的值為0007H，可知該文件的下一記錄項(xiàng)為0007H。

③同理，可得到文件的后續(xù)記錄項(xiàng)為0008H、0009H、000BH，直到從000BH記錄項(xiàng)中讀到0FFFFH。此時(shí)表示這是最后一項(xiàng)，不需再繼續(xù)找后繼項(xiàng)了。

④至此，可知文件“00000103”的數(shù)據(jù)分為5部分存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)區(qū)中，分別存儲(chǔ)在0005H、0007H、0008H、0009H、000BH頁(yè)中。只要按序到數(shù)據(jù)中讀取這些中的數(shù)據(jù)，并連接起來(lái)，就形成了該文件的全部數(shù)據(jù)。

⑤同理，文件“00000001”在數(shù)據(jù)區(qū)中使用了0002H和0003H兩頁(yè)，文件“00015671”只使用了數(shù)據(jù)區(qū)第000AH頁(yè)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

按照上述的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可通過(guò)目錄區(qū)和頁(yè)面分配區(qū)對(duì)AT24C512的全部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)文件化管理。在管理過(guò)程中，最主要的操作是添加文件和刪除文件。

（1）添加文件

添加文件的主要工作是為新文件尋找存儲(chǔ)空間，其尋找步驟如下：

①在目錄區(qū)中尋找空位置。若目錄區(qū)已經(jīng)存滿（最多存153個(gè)文件），則向用戶報(bào)告并中止程序；否則，記錄該位置（記為MyFile）。

②計(jì)算文件數(shù)據(jù)需占用的頁(yè)面數(shù)，記為My Page。

③在頁(yè)面分配區(qū)中尋找并統(tǒng)計(jì)標(biāo)志為空的記錄項(xiàng)，其內(nèi)容為0EEEEH。若其數(shù)目小于MyPage，則向用戶報(bào)告，并中止程序。

④在MyFileA位置填寫文件名和日期，并把找到的第一個(gè)空記錄項(xiàng)的序號(hào)填入，作為該文件的首地址。

⑤依次在找到的空記錄項(xiàng)內(nèi)填入下一空記錄項(xiàng)的序號(hào)，最后一個(gè)空記錄項(xiàng)填入0FFFFH。

⑥從文件首地址開始，按照文件鏈表依次把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)的頁(yè)。

（2）刪除文件

刪除文件的主要工作是回收該文件所占用的空間，以便將來(lái)分配給其它文件。

①在目錄區(qū)中尋找到該文件，提取出其首地址，記錄First。隨后，把該文件所占用的目錄區(qū)的首字節(jié)清為0FFH，表示該目錄項(xiàng)空閑。

②在頁(yè)面分配區(qū)中找到First記錄項(xiàng)，撮出其內(nèi)容，記為Next。隨后，把First記錄項(xiàng)的內(nèi)容改寫為0EEEEH。

③First=Next，重復(fù)②，直至Next=0FFFFH。

由添加文件可以看出，在搜索空間時(shí)，只對(duì)目錄區(qū)和頁(yè)面分配區(qū)操作，因此，刪除文件時(shí)，只需要釋放目錄和頁(yè)面分配區(qū)即可，而不需要修改數(shù)據(jù)區(qū)。這大大提高了刪除的效率。

（3）系統(tǒng)格式化

系統(tǒng)格式化的目的是把AT24C512按照前面所述的格式進(jìn)行初始化，以正確反映目前的使用狀況。格式化的主要工作包括：

①把目錄區(qū)全部寫為0FFH，以清空目錄區(qū)中所有數(shù)據(jù)；

②把頁(yè)面分配區(qū)的所有記錄項(xiàng)寫為0EEEEH，標(biāo)志它們?nèi)课词褂谩?/p>

4 性能比較

在大多數(shù)系統(tǒng)中，AT24C512中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是要用順序存儲(chǔ)法：每次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)都是按照先后順序依次寫入數(shù)據(jù)空間。本文所述方法與順序存儲(chǔ)法相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①存儲(chǔ)時(shí)操作簡(jiǎn)單。在順序存儲(chǔ)中，尋找空閑空間需要逐次讀出已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，直到找到空閑空間為止，數(shù)據(jù)操作量大。本文所述方法只需要讀取目錄區(qū)和頁(yè)面分配區(qū)即可，搜索空閑空間的效率高。

②刪除數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單。在順序存儲(chǔ)中，為了定位到需要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)，必須逐次讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，直到找到需要?jiǎng)h除物數(shù)據(jù)，再把該空閑改寫為未用狀態(tài)。本文所述方法只需要修改目錄區(qū)和頁(yè)面分配區(qū)即可，不僅定位數(shù)據(jù)快，而且修改的工作量很小。

③實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)空間的回收。順序存儲(chǔ)法中，在刪除的某次數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)所占用的空間可能無(wú)法回收使用。因?yàn)榛厥盏目臻g會(huì)形成碎片：該空間前后都存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)，但該空間的長(zhǎng)度無(wú)法滿足一個(gè)更大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。本文所述方法利用鏈表分配存儲(chǔ)空間，允許一個(gè)文件的數(shù)據(jù)非連續(xù)在座，回收的空間可以自由使用。

④通過(guò)讀取目錄區(qū)，用戶可以大致知道該文件中存儲(chǔ)的是什么數(shù)據(jù)，而順序存儲(chǔ)法卻無(wú)法提供這些信息。

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效管理，按照PC機(jī)文件系統(tǒng)的思想，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)中的AT24C512設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)，包括系統(tǒng)格式化、添加文件、刪除文件等功能，在大數(shù)據(jù)量的測(cè)控系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。該文件系統(tǒng)稍加修改就可應(yīng)用于不同容量的存儲(chǔ)芯片，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。