基于Zynq7000的簡易數據采集記錄系統

陳維蛇，姜文博，劉 洪

（陜西長嶺電子科技有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

Zynq-7000 SoC xilinx是新一代FPGA（Artix-7與Kintex-7FPGA）與Cortex-A9 ARM相結合的一款可擴展處理平臺。它的可編程邏輯部分被稱為PL，采用了28 nm可編程技術，使用戶可以利用它進行系統可編程邏輯部分的開發；ARM部分被稱為PS，為Cortex-A9雙精度浮點引擎的雙核ARM，集成了L1和L2緩存、DDR3控制器、以太網、串口和IIC總線等常用外設。用戶可以利用它進行C語言部分開發。ARM核可以裸機運行，也可以靈活搭載Linux、VxWorks等操作系統。Zynq-7000 SoC的PL與PS部分采用AXI總線系統進行通信，xilinx公司提供了APB橋、DMA高速數據通道以及GPIO、UART等AXI總線標準外設通信模塊。用戶可以利用它們方便地搭載自己的可裁剪系統。

在包含Zynq7000的嵌入式系統工作過程中，有時需要記錄一些系統工作過程中的數據，如AD采集的數據、系統工作狀態等。如果使用標準的數據記錄系統，則需要額外的硬件軟件開銷，無形中增加了系統的成本和復雜性。本文介紹了一種簡易記錄這些數據的方法。

1 系統構架

本例硬件采用AX7020和其配套的AD卡，開發環境采用VIVADO2015.4，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

打開開發環境，建立Zynq7000工程，然后添加ARM核，在配置界面中添加SD卡和UART1。ARM核的外圍設備如DMA模塊、APB橋等，這里不再進行一一敘述。配置完PL部分后，編譯導出硬件，打開SDK，新建hello world模板工程。之后，在XILINX TOOLS→BOARD SUPPORT PACKAGE SETTING中設置選擇xilffs，版本為3.1。各參數采用默認設置。

1.1 xilffs文件系統

xilffs針對FAT32文件系統。對一個機械硬盤而言，柱面、磁頭和扇區確定唯一的扇區物理地址。在數據組織上看，總是按照主引導區→引導扇區→數據→引導扇區…來排列。一塊硬盤上，基本分區的最大數目為4個，大于4個的被自動分配為擴展分區。SD卡的分區結構和普通磁盤類似，沿用了普通機械硬盤的大多數概念術語。因為它無需啟動，所以MBR區沒有引導信息。

一個硬盤中主引導分區位于硬盤的起始扇區，共512個字節，包含了446字節的MBR和64字節的DPT，并以55 AA作為結束標志。因為SD卡不用啟動，所以MBR區域不包含引導數據。SD卡的MBR為小端模式，低字節在前，其中包含了2個重要數據：偏移地址0x1C6開始的4字節決定了引導扇區DBR的位置；偏移地址0x1CA開始的4字節表示了SD卡的總扇區數。

引導扇區DBR共512個字節，以55 AA結束。前11個字節為跳轉指令和文件系統類型、版本號信息。偏移地址0x0D標記每簇的扇區數。文件系統中保存數據的最小單位為簇。只要本簇中寫入了當前文件的數據，它就不可以被其他文件使用。此外，偏移地址0xE～0xF標記了本分區的保留扇區數，偏移地址0x10～0x11標記了FAT表的個數，偏移地址0x24～0x27標記了FAT表的大小。

信息分區FSINFO用以記錄文件系統中未使用的空閑簇的數量和下一個可用簇的簇號等信息，位于1號邏輯扇區。

從FAT表開始，是文件系統的核心內容。文件占用磁盤的最小單位是簇。即使文件只有一個字節，它也占用一個簇的磁盤空間。大文件會占用多個簇。

一個文件的數據在磁盤中并不是連續存儲的。它會根據磁盤簇的占用情況被分為很多段。文件系統需要記錄哪些磁盤簇已經被占用，同時需要指明一個文件中已經占用的簇的下一個簇的簇號。對于文件的最后一個簇，要指明本簇后面再沒有簇被占用，類似于數據結構中的鏈表結構，所以被稱為文件的鏈式存儲。這些信息由FAT表來保存，FAT表分為FAT12、FAT16和FAT32。常用的FAT32表按4字節為一個表項進行分割，從2號表項開始，每個表項與磁盤數據區的簇一一對應。3號簇跟3號FAT表項映射，4號簇跟4號FAT表項映射，以此類推，直到數據區中的最后一個簇。它的內容為空閑標志、壞簇標志或者一個文件的下一個簇號。

FAT表中每簇的地址固定為32 bit，按四字節對其進行劃分，并由0開始進行編號。0號和1號簇由系統保留作特殊使用，從2號簇開始，其分別對應文件系統的實際數據區簇號。FAT表中的簇地址編號與數據區的簇號相同[1]。在創建文件系統（格式化）時，所有的FAT表均被清空。FAT1和FAT2的0號、1號表項寫入特定值。2號表項常為根目錄，因此2號表被寫入結束標志。

根目錄在文件系統建立時即已被創建，目的是存儲目錄（也稱文件夾）或文件的目錄項。目錄所在的扇區，都以32 Bytes劃分為一個單位，每個單位稱為一個目錄項（DirectoryEntry），即每個目錄項的長度都是32 Bytes。目錄項包含了文件名、文件大小、文件類型、創建時間和修改時間等文件信息。

1.2 程序結構

首先，定義2個數據結構：

static FATFS fatfs;

FIL fil;

第一步，利用f_mount掛載SD卡，指令為：

rc=f_mount(&fatfs,"0：",0);\掛載SD卡

注意，函數中的第2個參數不能為空，必須要加上盤符，否則后續操作中將無法創建文件。

第二步，利用f_open函數打開或創建一個文件，指令為：

rc=f_open(&fil,FileName, FA_CREATE_ALWAYS|FA_WRITE);\創建文件

注意，文件名參數為短文件名，即不大于8個英文字符，長文件名系統不支持。

第三步，將文件指針移動到文件頭，指令為：

rc=f_lseek(&fil,0);\移動文件指針

第四步，寫數據到文件中，指令為：

rc=f_write(&fil,(void*)SourceAddress,ByteLength,&bw);\寫數據

第五步，將數據更新到SD卡，指令為：

rc=f_sync(&fil);//更新數據到SD卡

如果系統采用直接斷電的方法關機，需要用這條指令更新數據。這條指令的缺點在于，SD卡的寫入次數是有限的，如果數據更新周期較快，由于每次更新數據都要同步更新文件大小，那么在較短時間內就會損壞目錄扇區。所以，盡量使用f_close指令關閉文件。

如果需要從SD卡中讀取一個文件，那么在第二步打開文件的時候需要執行：

rc=f_open(&fil,FileName,FA_READ);//打開只讀文件

然后，同樣執行第三步移動文件指針，然后第四步讀取數據：

rc=f_read(&fil,(void*)DestinationAddress,ByteLen gth,&br);//讀數據

一般可以將系統的工作模式、初始化參數等數據存儲到SD卡中，以達到方便修改系統參數的目的。

2 結 論

利用Zynq7000和xilffs文件系統，可以較為方便地將系統工作過程中產生的各種數據存儲到SD卡中，其連續存儲速率不低于500 kb/s，也可以從SD卡中讀取系統工作的初始信息，方便配置系統的工作模式和初始化參數。

[1] 何 賓 .Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC 設 計指南[M].北京：清華大學出版社，2013.