基于SmartFusion和SPI的文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)﹡

王銅柱， 李 毅， 蘇先海

0 引言

隨著在FPGA中集成了軟核和硬核處理器后，F(xiàn)PGA的功能越來(lái)越強(qiáng)大，在單片F(xiàn)PGA上即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而通過(guò)對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置即可改變系統(tǒng)的功能，滿(mǎn)足用戶(hù)不同的需求，大大提高FPGA的利用率，但是丟電易失的特性使得其配置文件只能存放在非易失性存儲(chǔ)中，設(shè)計(jì)者需要考慮如何有效的管理與各種功能對(duì)應(yīng)的多個(gè)配置文件，因此移植 FatFs文件系統(tǒng)以達(dá)到對(duì)若干配置文件的管理，同時(shí)避免對(duì)存儲(chǔ)flash的直接訪(fǎng)問(wèn)，避免誤操作，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 FatFs文件系統(tǒng)

FatFs是專(zhuān)門(mén)針對(duì)小型嵌入式系統(tǒng)的通用 FAT文件系統(tǒng)模型。FatFs依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)C規(guī)范編寫(xiě)，完全和存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫(xiě) I/O分開(kāi)，所以可以輕松移植到各種硬件平臺(tái)上，可以在其官方主頁(yè)[1]上下載其源代碼和使用說(shuō)明等信息，同時(shí)也提供了移植到PIC和ARM等低成本的微控制器上的示例程序。FatFs主要具有以下特性：①兼容FAT文件系統(tǒng)；②不受應(yīng)用平臺(tái)限制，移植性好；③代碼空間和數(shù)據(jù)空間需求量小；④多樣的配置選項(xiàng)：多種存儲(chǔ)媒介支持、長(zhǎng)文件名支持、RTOS支持等。

FatFs具有良好的層次結(jié)構(gòu)和方便的移植性，如圖1所示。FatFs共分3層。頂層的應(yīng)用層提供了一系列的應(yīng)用函數(shù)，如f_open，f_close，f_read，f_write等，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)屏蔽了FAT協(xié)議和FatFs內(nèi)部復(fù)雜的函數(shù)，因而可以輕松完成相關(guān)文件操作。中間層FatFs實(shí)現(xiàn)了FAT文件讀/寫(xiě)協(xié)議，同時(shí)可以方便增加RTOS。底層是使用者需要處理的存儲(chǔ)介質(zhì)讀寫(xiě)I/O，如塊讀函數(shù)和塊寫(xiě)函數(shù)等。時(shí)鐘位如圖2所示。

圖1 FatFs的分層結(jié)構(gòu)

圖2 時(shí)鐘位

2 SmartFusion片上系統(tǒng)

SmartFusion芯片[2]集成了FPGA，Cortex-M3處理器，提供了豐富的外設(shè)資源，如圖 3所示。Cortex-M3是一款低功耗處理器，具有門(mén)數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，高性能，低功耗，易擴(kuò)展[3]。SPI控制器[4]以從模式與處理器通過(guò)APB總線(xiàn)連接，支持接入大存儲(chǔ)SPI flash和EEPROM器件，包含以Cortex-M3和以DMA兩種方式控制數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)中選擇DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 SmartFusion芯片架構(gòu)

3 FatFs文件系統(tǒng)的移植

FatFs移植的具體工作有兩步，即編寫(xiě)FatFs接口函數(shù)和FatFs里的配置函數(shù)。

3.1 FatFs接口需求

需要給出下列若干函數(shù)來(lái)控制對(duì)物理介質(zhì)的讀和寫(xiě)，如表1所示。

表1 FatFs接口APIs

SmartFusion評(píng)估板上帶一片 Atmel SPI flash，AT25DF641-MWH-T，支持通用的塊擦除（4 Kbyte，32 Kbyte，64 Kbyte）和整片擦除[4]。

3.2 FatFs接口設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)介質(zhì)初始化函數(shù)——DSTATUS disk_initialize (BYTE pdrv)：本設(shè)計(jì)中就是spi flash的初始化及其解保護(hù)。pdrv是存儲(chǔ)介質(zhì)編號(hào)，本設(shè)計(jì)只支持flash一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，將pdrv設(shè)為0。

讀扇區(qū)函數(shù)——DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE *buff,DWORDsector,BYTE count)：*buff為讀緩存，sector是起始扇區(qū)號(hào)，count是需要讀的扇區(qū)數(shù)目。用spi flash函數(shù)API，以4Kb為單位進(jìn)行操作。讀取無(wú)誤返回0，錯(cuò)誤返回非0。

寫(xiě)扇區(qū)函數(shù)——DRESULT disk_write(BYTE pdrv,const BYTE *buff,DWORD sector,BYTE count)：*buff為寫(xiě)緩存，sector是起始扇區(qū)號(hào)，count是需要寫(xiě)的扇區(qū)數(shù)目。調(diào)用 spi flash函數(shù)API，以4Kb為單位進(jìn)行操作。寫(xiě)無(wú)誤返回0，錯(cuò)誤返回非0。

存儲(chǔ)介質(zhì)控制函數(shù)——DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv,BYTEcmd,void *buff)：cmd是控制命令，*buff為存儲(chǔ)或接收數(shù)據(jù)緩存。本設(shè)計(jì)中只是簡(jiǎn)單的得到簇大小，簇?cái)?shù)量等信息。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘函數(shù)——DWORD get_fattime ()：直接調(diào)用SmartFusion芯片的RTC模塊，將得到一個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，時(shí)鐘信號(hào)包含在這 32位中，如圖2所示。

3.3 FatFs配置

文件中ffconfig.h文件定義了所有相關(guān)的FatFs配置信息，通過(guò)FatFs的配置（如表2所示），可以根據(jù)需要對(duì)代碼進(jìn)行裁剪，以獲得最合適的代碼。

3.4 FatFs文件系統(tǒng)在SmartFusion芯片上的實(shí)現(xiàn)

如圖4所示，為帶有FatFs模塊的嵌入式系統(tǒng)的典型架構(gòu)，需要在Application模塊中完成系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建文件系統(tǒng)等工作，重寫(xiě)diskio.c文件中的若干函數(shù)，在spi.c文件中完成對(duì)flash的若干操作。

表2 FatFs配置

圖4 帶有FatFs模塊的典型架構(gòu)

如圖5所示，系統(tǒng)相關(guān)初始化及創(chuàng)建文件系統(tǒng)流程，本設(shè)計(jì)將SPI配置為模式3，APB總線(xiàn)時(shí)鐘除以128，幀大小設(shè)置為8 bit[5]。

圖5 系統(tǒng)相關(guān)初始化及創(chuàng)建文件系統(tǒng)

采用DMA方式對(duì)flash進(jìn)行讀和寫(xiě)。創(chuàng)建文件系統(tǒng)時(shí)，使用f_mount函數(shù)在FatFs模塊注冊(cè)一塊文件系統(tǒng)對(duì)象工作區(qū)，使用f_getfree函數(shù)獲得空閑簇?cái)?shù)量，使用f_mkfs函數(shù)創(chuàng)建FAT文件系統(tǒng)。最后初始化并開(kāi)啟片上系統(tǒng)RTC，用于get_fattime函數(shù)，以得到當(dāng)前時(shí)間。之后，便可以完成創(chuàng)建文件，重命名文件，復(fù)制文件等各種操作。整個(gè)操作通過(guò)串口進(jìn)行命令輸入，并打印出相關(guān)信息。最后成功創(chuàng)建了FAT12類(lèi)型文件系統(tǒng)，簇大小4KB，整塊flash作為一個(gè)扇區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以SmartFusion片上系統(tǒng)芯片為核心，以spi flash作為存儲(chǔ)媒介，移植了 FatFs，實(shí)現(xiàn)了用Cortex-M3微處理器對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)等功能。在數(shù)據(jù)量比較大的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入 FatFs文件系統(tǒng)來(lái)管理數(shù)據(jù)會(huì)非常方便靈活，同時(shí)有利于降低成本，具有較為廣闊的應(yīng)用前景[6]。另外一方面，TFTP協(xié)議為小文件傳輸通信在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一個(gè)可行方案，使用網(wǎng)口來(lái)將電腦中的文件發(fā)送至flash，可以遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)[7]。

[1] ChaN.FatFs generic FAT file system module[EB/OL].(2013-01-23)[2013-05-11].http://elm-chan.org/fs w/ff/00index_e.html.

[2] Microsemi.SmartFusionCustomizable System-on-chip Datasheet[EB/OL].(2013-01-01)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smartfusion#documents.

[3] 孟惠霞,呂書(shū)勇.基于ARM的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009,42(07):135-136,150.

[4] Microsemi.SmartFusion microcontroller subsystem(MSS) user’s guide[EB/OL].(2012-09-01)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smar tfusion#documents.

[5] Microsemi.Accessing serial flash memory using SPI interface App Note[EB/OL].(2013-01-05)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smartfusion#documents.

[6] 董葉,陳小平.TFTP協(xié)議在LM3S6965上的移植和應(yīng)用[J].通信技術(shù),2011,44(08):89-90,105.

[7] 曾曉洋,吳敏,韓軍,等.信息安全芯片 SoC平臺(tái)及其應(yīng)用[J].信息安全與通信保密,2005(07):358-360.