面向閃存類存儲(chǔ)設(shè)備嵌入式文件系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了面向閃存類設(shè)備的嵌入式文件系統(tǒng)。提出了一種不依靠任何操作系統(tǒng)，以單片機(jī)和閃存類設(shè)備為硬件基礎(chǔ)的，依照FAT類型文件系統(tǒng)所構(gòu)建的嵌入式主機(jī)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)地、分模塊地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并在實(shí)際開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：嵌入式文件系統(tǒng)； 單片機(jī)； 閃存類設(shè)備； 文件分配表

中圖分類號(hào)：U463．211文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)03－0814－02

數(shù)據(jù)采集儀作為故障診斷的前端采集器，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)是數(shù)據(jù)采集儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。考慮到數(shù)據(jù)采集儀的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的要求有如下幾個(gè)特點(diǎn)：體積小、可靠性高、存取速度快、通用性好。閃存類存儲(chǔ)設(shè)備在單片機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，常見(jiàn)的有USB電子盤、閃存卡等。其中閃存卡包括MMC卡、CF卡、SD卡，還有SONY的Memory Stick。

為了能在數(shù)據(jù)采集儀與PC之間進(jìn)行交互，必須按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)組織數(shù)據(jù)。通常采用的方法就是在其中嵌入文件系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上存在多種商用的嵌入式操作系統(tǒng)可以支持文件系統(tǒng)，如XPE等。但與之對(duì)應(yīng)的是，上述的操作系統(tǒng)對(duì)硬件的要求很高，而且價(jià)格昂貴，并且對(duì)存儲(chǔ)空間也有一定的額外要求。但目前數(shù)據(jù)采集儀中有很多采用的是8位或者16位的MCU，較少使用操作系統(tǒng)，即使采用操作系統(tǒng)往往也并不支持文件系統(tǒng)。所以，很有必要開(kāi)發(fā)一種面向移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，而且不依賴于操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)。

1系統(tǒng)概述

本文所討論的文件系統(tǒng)是依照集中索引文件系統(tǒng)所建立的。集中索引文件系統(tǒng)是目前最常用的基于磁盤存儲(chǔ)器的文件系統(tǒng)，包括Windows的FAT系列和基于Linux的Ext系列。所謂的集中索引文件系統(tǒng)，是將存儲(chǔ)器的使用信息和文件的索引信息集中存放在存儲(chǔ)區(qū)的固定位置。

閃存設(shè)備可以通過(guò)使用閃存轉(zhuǎn)譯層（FTL）驅(qū)動(dòng)而模擬成與磁盤相似的塊設(shè)備，所以該類設(shè)備均可以通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，從而按照集中索引文件系統(tǒng)來(lái)管理數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和使用方便，本文件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是基于FAT16類文件系統(tǒng)格式化的閃存類設(shè)備的數(shù)據(jù)文件的讀寫。

文件系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的整體，并且有明確的模塊劃分，能夠使該文件系統(tǒng)在對(duì)文件系統(tǒng)格式支持收納該具有很好的擴(kuò)展性，對(duì)文件系統(tǒng)的設(shè)備管理上也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)性。

本文件系統(tǒng)模塊如圖1所示。

用戶接口（文件系統(tǒng)API）模塊：對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行最后的封裝，對(duì)用戶提供文件系統(tǒng)的API接口，用戶可以直接調(diào)用該模塊的函數(shù)進(jìn)行文件級(jí)的操作；文件系統(tǒng)模塊：主要實(shí)現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)中間級(jí)函數(shù)；

設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理模塊：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)文件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的管理，最終實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的設(shè)備無(wú)關(guān)性，通過(guò)通用的函數(shù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種閃存類設(shè)備底層物理意義的讀寫。

2設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理模塊

閃存類設(shè)備可以通過(guò)閃存轉(zhuǎn)譯層（FTL）驅(qū)動(dòng)而模擬成塊設(shè)備，所以本文件系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理模塊作為整個(gè)文件系統(tǒng)最底層的模塊可以被上兩層的模塊直接調(diào)用。物理上來(lái)看，閃存類設(shè)備均可以由扇區(qū)組成，每扇區(qū)512 Byte，均采用邏輯塊尋址方式LBA（logical block addressing）。

2．1控制器驅(qū)動(dòng)層

塊設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)層最底層的函數(shù)，是MCU與塊設(shè)備的通信接口，通過(guò)數(shù)據(jù)線、讀寫控制線、片選線完成對(duì)塊設(shè)備或塊設(shè)備控制器的I／O讀寫等操作，可為上層驅(qū)動(dòng)提供對(duì)塊設(shè)備的訪問(wèn)接口。不同的閃存類設(shè)備依照自身的硬件特點(diǎn)，接口電路也不盡相同。例如MMC卡、CF卡可直接與MCU通信，而USB電子盤則必須通過(guò)接口芯片與MCU進(jìn)行通信。用戶可根據(jù)所選用的閃存設(shè)備以及自身硬件電路的特點(diǎn)來(lái)選擇這部分的驅(qū)動(dòng)程序。

例如在本實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的基于C8051F124的與MMC卡和USB電子盤的存儲(chǔ)模塊中，塊設(shè)備的控制器驅(qū)動(dòng)層如下：

a)C8051F124與MMC卡通過(guò)SPI通信的驅(qū)動(dòng)程序

INT8U MMCdatachange(uchar Bdata)

｛

SPIODAT=Bdata；

while(!SPIF)；

SPIF=0：

return SPIODAT；

｝

b)C8051F124通過(guò)USB主機(jī)接口芯片CH375與USB電子盤通信的驅(qū)動(dòng)程序

CH375命令端口的I/O地址：INT8U volatilexdataCH375_CMD_PORT _at_ 0xBDF1；

CH375數(shù)據(jù)端口的I/O地址：INT8U volatilexdataCH375_DAT_PORT _at_ 0xBCF0;

寫入一個(gè)命令字節(jié)：void CH375_WR_CMD_PORT(INT8U cmd)；

寫入一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)： void CH375_WR_DAT_PORT(INT8U dat)；

讀出一個(gè)命令或數(shù)據(jù)字節(jié)： INT8U CH375_RD_DAT_PORT(void)。

2．2塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)層

無(wú)論什么樣的閃存類設(shè)備，由于閃存類設(shè)備特有的物理結(jié)構(gòu)，對(duì)閃存類設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫均是以扇區(qū)為單位進(jìn)行的。通過(guò)調(diào)用底層的控制器驅(qū)動(dòng)程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理扇區(qū)的讀寫。直接以物理扇區(qū)為單位讀寫的函數(shù)如下：

a)從塊設(shè)備中讀取多個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)塊到緩沖區(qū)

INT8U RBC_Read(INT32U iLbaStart， INT8U iSectorCount， INT8U *mBufferPoint)；

b)將緩沖區(qū)中的多個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)塊寫入到塊設(shè)備

INT8U RBC_Write( INT32U iLbaStart， INT8U iSectorCount， INT8U *mBufferPoint )；

參數(shù)說(shuō)明：

iLbaStart讀取的線性起始扇區(qū)號(hào)；

iSectorCount讀取的扇區(qū)數(shù)；

*mBufferPoint指向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針。

3文件系統(tǒng)應(yīng)用程序模塊

3．1文件系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)劃分

主引導(dǎo)區(qū)（MBR）從塊設(shè)備的物理第一個(gè)扇區(qū)開(kāi)始，存放了塊設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)信息和介質(zhì)標(biāo)志等，系統(tǒng)每次訪問(wèn)該設(shè)備時(shí)，都要對(duì)引導(dǎo)區(qū)內(nèi)的信息進(jìn)行識(shí)別。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了對(duì)文件分區(qū)描述的基本信息，非常重要的有每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、每簇的扇區(qū)數(shù)、FAT 表數(shù)目、目錄項(xiàng)數(shù)、文件分區(qū)中的扇區(qū)數(shù)、每個(gè)FAT 表占用的扇區(qū)數(shù)。主引導(dǎo)區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct BPB_BLOCK

{

uchar bJmpBoot[3];//ofs:0.典型的如：0xEB、0x3E、0x90

char bOEMName[8]; //ofs:3.典型的如：MSWIN4.1

uint BPB_wBytesPerSec; //ofs:11.每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

uchar BPB_bSecPerClus; //ofs:13.每簇扇區(qū)數(shù)

uint BPB_wReservedSec;

//ofs:14.保留扇區(qū)數(shù)，從DBR 到FAT 的扇區(qū)數(shù)

uchar BPB_bNumFATs; //ofs:16.FAT 的個(gè)數(shù)

uint BPB_wRootEntry; //ofs:17.根目錄項(xiàng)數(shù)

……

uint EndingFlag; //ofs:510.結(jié)束標(biāo)志:0xAA55

} BPB_BLOCK， * PBPB_BLOCK;

FAT表用于存放文件分區(qū)信息，通常位于主引導(dǎo)區(qū)和保留扇區(qū)之后。存放在塊設(shè)備中的文件并不是占用連續(xù)的空間，而是根據(jù)一定的算法來(lái)決定某一部分文件內(nèi)容存放到哪個(gè)簇中，然后將這些簇連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的文件。文件分配表是一一對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)區(qū)簇號(hào)的列表，反映了所有簇的使用情況。每個(gè)表項(xiàng)單元的大小決定了FAT的類型，如FAT16的表項(xiàng)單元為16位。為了數(shù)據(jù)安全，F(xiàn)AT表一般都有一個(gè)備份。

文件目錄表(file directory table，F(xiàn)DT)位于 FAT表之后。FDT由32位的目錄項(xiàng)線性構(gòu)成，記錄著根目錄下每個(gè)文件(子目錄)的起始單元、屬性等。FDT大小為32個(gè)扇區(qū)，最多可以保存512個(gè)目錄項(xiàng)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct _DIR_INFO

{

unsigned char name[8]; //文件名

unsigned char extension[3];//文件擴(kuò)展名

unsigned char attribute; //文件屬性

unsigned char Reserved[10];//保留區(qū)域

unsigned int lastUpdateDate; //文件更新日期

unsigned int lastUpdateTime; //文件更新時(shí)間

unsigned int startCluster; //文件開(kāi)始簇號(hào)

unsigned long length;//文件長(zhǎng)度

} DIR_INFO， * PDIR_INFO;

3．2文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

圖2為在塊設(shè)備中實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)操作的流程。

a)首先在目錄區(qū)中搜索與文件名“PDSA”匹配的文件目錄項(xiàng)，對(duì)應(yīng)地找到該文件開(kāi)始的首簇的簇號(hào)000a；如果沒(méi)有相匹配的目錄，則需要新建一個(gè)名為“PDSA”的文件，調(diào)用函數(shù)Getfreeclusternum()來(lái)搜索FAT表得到空閑簇，并且寫入到目錄項(xiàng)中。假設(shè)得到的空閑簇為000a。

b)根據(jù)首簇號(hào)OO0a訪問(wèn)FAT表，讀出首簇號(hào)對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)內(nèi)容000b，這就是第二個(gè)簇號(hào)。根據(jù)第二個(gè)簇號(hào)再訪問(wèn)FAT表，讀出其對(duì)應(yīng)的FAT表內(nèi)容，就是第三個(gè)簇號(hào)000c。依此下去，直到最后一個(gè)表項(xiàng)內(nèi)容為FFF8H～FFFFH為止(表示最后一簇)。如果是新建文件，則需要根據(jù)其文件長(zhǎng)度來(lái)判斷需要寫入的簇?cái)?shù)。假設(shè)需要寫入的文件長(zhǎng)度為三個(gè)簇，此時(shí)，調(diào)用函數(shù)Getnextcluster()來(lái)搜索FAT表，依次得到相應(yīng)的簇號(hào)，并將下一簇的簇號(hào)寫入到上一簇所在的FAT表項(xiàng)中，最后一簇的FAT表項(xiàng)中寫入FFFF，表示文件結(jié)束。

c)根據(jù)b)可知“PDSA”這個(gè)文件占用了三個(gè)簇，這三個(gè)簇號(hào)形成一個(gè)簇鏈，000a－000b－000c。根據(jù)這些簇號(hào)所形成的簇鏈訪問(wèn)這三個(gè)簇號(hào)對(duì)應(yīng)的三個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，文件“PDSA”就分成三個(gè)部分分別存放在這三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中。

4用戶接口模塊

按照上述文件系統(tǒng)組織格式，系統(tǒng)通過(guò)目錄項(xiàng)和FAT表來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)塊設(shè)備上的數(shù)據(jù)按照文件形式進(jìn)行建立和管理。

最終實(shí)現(xiàn)了如下面向用戶的文件級(jí)的操作。

FS_FileInital()：系統(tǒng)初始化時(shí)調(diào)用該函數(shù)，調(diào)入文件系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

FS_FileFormat()：系統(tǒng)初始化時(shí)調(diào)用該函數(shù)，初始化設(shè)備，讀取設(shè)備信息到相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

FS_FileCreate (INT8U filename）：建立新文件；

FS_FileOpen (INT8U filename， INT8U Openflag）：以讀或者寫的方式打開(kāi)文件；

FS_FileClose():關(guān)閉已打開(kāi)的文件，釋放相關(guān)緩沖區(qū)，保證文件操作的安全；

FS_FileRead(filename， INT8U buf，INT32U datalength):讀取文件到相應(yīng)的緩沖區(qū)，第三個(gè)參數(shù)是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；

FS_FileWrite(filename， INT8U buf，INT32U datalength):將緩沖區(qū)中的內(nèi)容寫入到文件中，每次寫入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由第三個(gè)參數(shù)確定；

FS_FileDelete(filename)：刪除文件。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的面向閃存類設(shè)備的文件系統(tǒng)在筆者開(kāi)發(fā)的基于8位單片機(jī)C8051F124的便攜式數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)得到了采用，可以實(shí)現(xiàn)與外部存儲(chǔ)類閃存設(shè)備的文件級(jí)數(shù)據(jù)交換。其穩(wěn)定性和實(shí)用性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，并且對(duì)別的儀器開(kāi)發(fā)也有一定借鑒意義。

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