基于CC/CCS的Flash文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：DSP CC/CCS Flash 文件系統(tǒng)
1 概述
在開發(fā)DSP的應(yīng)用程序過程中，經(jīng)常需要處理一些數(shù)據(jù)文件。這些數(shù)據(jù)文件可以是實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)集合，也可以是用模擬仿真軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集合，一般是以文件的形式存放在主機(jī)磁盤上的。一般的開發(fā)環(huán)境（如TI的CCS和CC）都提供了ANSI C標(biāo)準(zhǔn)操作文件格式，如打開一個文件fopen("盤符：路徑文件名"，“打開模式”)。嵌入式系統(tǒng)一般都外掛Flash。我們希望能夠和讀寫主機(jī)磁盤文件一樣操作Flash讀寫時(shí)序等問題，使應(yīng)用編程人員可以把精力用在解決實(shí)際應(yīng)用問題上，從而提供一個良好的編程接口。同時(shí)，在需要鍵盤、串口等設(shè)備的系統(tǒng)中，也希望提供一個簡易的API接口，如從鍵盤得到一個鍵，只需作如下操作，在執(zhí)行fopen("keyboard","讀")后，就可以用fread函數(shù)讀入一個字符。
結(jié)合TI公司提供的DSP開發(fā)環(huán)境CC/CCS（CC針對3X系列，CCS針對5X和6X系列）和實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提供上述問題的解決方案，并成功應(yīng)用到我們的產(chǎn)品中。
2 CC/CCS文件操作機(jī)制
TI公司為其TMS320C3X系列DSP提供了一個開發(fā)環(huán)境Code Composer,配套的C語言編譯器提供了文件的標(biāo)準(zhǔn)操作。在調(diào)試(debug)環(huán)境下，對主機(jī)(host)硬盤文件的操作是通過標(biāo)準(zhǔn)的ANSI文件操作格式與主機(jī)的通信來完成的。ANSI C I/O操作分為三個等級—high level、low level和Device level。在High level中，標(biāo)準(zhǔn)接口是Fopen和Fwrite等函數(shù)；而Low level中是Open和Write等函數(shù)。這三個等級功能用三個表來實(shí)現(xiàn)—文件表、流表（實(shí)質(zhì)就是內(nèi)存緩沖區(qū)索引）和設(shè)備表。文件的打開和關(guān)閉等基本屬性在文件表中反應(yīng)。當(dāng)打開一個文件時(shí)，文件表中便相應(yīng)增加一個描述該文件的信息單元；同樣，關(guān)閉一個文件時(shí)，該文件的信息單元從文件表中被刪除。流表提供了對文件的緩沖操作處理，緩沖區(qū)位置和大小等均在流表中記錄。一個文件對應(yīng)一個流，即緩沖區(qū)。對文件的讀寫就是對緩沖區(qū)的讀寫。當(dāng)緩沖區(qū)填滿時(shí)，再一次性寫入Flash等設(shè)備中，避免了對Flash的頻繁操作，延長了Flash的使用壽命。設(shè)備包括Flash、硬盤、鍵盤等在設(shè)備表中體現(xiàn)。多個流可以對應(yīng)一個設(shè)備，例如在Flash中可以打開多個文件，但是一個設(shè)備不能對應(yīng)多個流。流操作和設(shè)備操作是緊密聯(lián)系在一起的。當(dāng)打開一個文件時(shí)，同時(shí)給出了該文件在什么設(shè)備上操作，再分配一個流。以后對該文件的操作通過流對應(yīng)的具體設(shè)備的驅(qū)動函數(shù)來完成。主機(jī)的target任何外設(shè)都可被加入進(jìn)去成為設(shè)備表的成員之一。
Code Composer對HOST磁盤文件的操作最終是通過與HOST集成開發(fā)環(huán)境通信的方式來進(jìn)行。TI提供的RTS.LIB提供兩個函數(shù)與主機(jī)通信，writemsg()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)和參數(shù)到主機(jī)。Readmsg()函數(shù)從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)到目標(biāo)機(jī)。Code Composer再與主機(jī)進(jìn)行交互，利用主機(jī)文件系統(tǒng)的支持，屏蔽了具體的物理地址讀寫問題。在調(diào)試階段，當(dāng)要在主機(jī)上建立文件、讀取文件和存儲數(shù)據(jù)時(shí)，只需用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C函數(shù)操作就可以，從而極大方便了編程調(diào)試。
3 Flash文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
嵌入式文件系統(tǒng)一般有集中管理文件系統(tǒng)，存儲空間的使用信息集中存在存儲器的某個地方，如DOS的FAT，Unix的inode表。線性文件系統(tǒng)，又稱為連續(xù)文件系統(tǒng)，每個文件相關(guān)的所有信息都連續(xù)存放在存儲器中。與集中式文件系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)更簡單，讀寫更快，特別是將文件的關(guān)鍵系統(tǒng)分布存放。日志文件系統(tǒng)順序?qū)懭胛募到y(tǒng)的修改，如同日志記錄一樣，可加速文件寫入和崩潰修復(fù)。采用Log唯一結(jié)構(gòu)，Log包含索引信息、名稱和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)不可能帶硬盤，一般都是基于Flash存儲器的。
3．1 Flash特點(diǎn)及其相應(yīng)處理
Flash的讀操作與普通RAM時(shí)序一樣，但是寫和擦除操作則具有自身的特點(diǎn)。同一地址不能同時(shí)寫入兩次，必須進(jìn)行費(fèi)時(shí)的擦除操作。執(zhí)行擦除的方式有三種：一是片擦除，即一次性全部擦除所有內(nèi)容（這個相當(dāng)于格式化功能，在第一次使用時(shí)可以執(zhí)行這種操作）；二是塊擦除；三是扇區(qū)擦除。以SST39VF400A為例，塊Block的大小是32KB，扇區(qū)的大小是2KB，塊擦除一次擦除一個塊內(nèi)容；扇區(qū)類似。如果一個文件內(nèi)容被改動，且改動的內(nèi)容不足一個扇區(qū)的話，則更新文件時(shí)必須重寫這個扇區(qū)的所有內(nèi)容；在重寫前必須擦除該扇區(qū)的所有內(nèi)容。因此基于Flash的文件系統(tǒng)不能完全套用已有的文件系統(tǒng)，但可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改動。Flash能夠擦除的范圍越小，對文件的改動就越小，所執(zhí)行的I/O操作就越小，從而減少I/O時(shí)間，提供文件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。我們使用的SST39VF400A的扇區(qū)大小是2KB，也就是2048B（1K=1024）。用常數(shù)定義，#define FileUnit 2048。
3．2 Flash文件系統(tǒng)的層次性
與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，我們將Flash文件系統(tǒng)分為3個層次。第一層次，API層。API層是文件系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序之間的接口，包含一個與文件函數(shù)相關(guān)的函數(shù)庫，如FS_FOpen、FS_Fwrite等，也相當(dāng)于High Level層。第二層次，文件系統(tǒng)層，即Low Level層。該層處理文件是否存在，打開，關(guān)閉和為文件分配相應(yīng)的緩存等。該層調(diào)用底層驅(qū)動。第三層是Device Level層，就是設(shè)備驅(qū)動層。Flash的實(shí)際讀寫操作就是在該層進(jìn)行的，特定的Flash存儲器對應(yīng)特定的讀寫程序。
3.3 Flash文件信息表的設(shè)計(jì)
該表保存Flash中已有文件的屬性，F(xiàn)lash大小和文件的屬性等都在該表中反映出來。該表與Flash中的內(nèi)容保持同步更新，即一個文件最小塊更新完畢時(shí)，寫入Flash中。
Flash的空間分配：
①Flash空間，以簇為單位，讀和寫都是一簇，即一個扇區(qū)單位；
②0簇給文件分配表，不被應(yīng)用文件占用；
③每次文件系統(tǒng)初始化時(shí)，把Flash內(nèi)0簇的內(nèi)容讀取到內(nèi)存中，保存在數(shù)組FAT16[]中。
常量定義
#define CLUSTER_BLOCK_SIZE 2048 //每一簇的字節(jié)數(shù)
#define NUMBER_OF_CLUSTER_IN_FAT16 25
//在文件分配表中，一共有多少個簇
#define NUMBER_OF_FILE_BUF 10
//一共有幾個文件緩沖區(qū)
#define MODE_OPEN_FILE_READ 0x01 //讀?。ㄎ募蜷_模式）
#define MODE_OPEN_FILE_WRITE 0x02 //寫入（文件打開模式）
#define MAX_SIZE_OF_FIEL 2048 //文件的最大尺寸
文件結(jié)構(gòu)體：
typedef struct{
unsigned int IsLock:1;//文件是否被上鎖，=0沒打開；=1已被打開。此標(biāo)志只在文件的第一簇使用
unsigned int status:7;//簇的狀態(tài)，=0，此簇為色，沒使用；=1，此簇是第一簇；=2，此簇不是第一簇
char FileName[8];//文件名，在第一簇有效
char FileExName[3]; //文件擴(kuò)展名，在第一簇有效
unsigned int SizeOfFile;//文件的字節(jié)數(shù)，在第一簇有效
unsigned int NextCluster;//下一簇的簇號。當(dāng)為0xffffffff時(shí)，說明這是當(dāng)前文件的最后一簇
}FlashFAT;
文件句柄結(jié)構(gòu)體：
typedef struct{
unsigned int Buffer[CLUSTER_BLOCK_SIZE];//文件緩沖區(qū)
unsigned int fileblock;//文件當(dāng)前簇的位置
unsigned int filemode;//打開支持的模式
unsigned int filebufnum;//文件緩沖區(qū)中已被/寫的字節(jié)數(shù)
unsigned int fileCurpos;//文件讀寫的當(dāng)前位置
unsigned int filesize;//文件的大小
}FlashFILE;
3.4 Device Level驅(qū)動函數(shù)
SST39VF400A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備級驅(qū)動函數(shù)如下：
void Program_One_Word(WORD SrcWord,WORD far Dst){/*寫入一個字*/
WORD far *Temp;WORD far*SourceBuf;WORD far*DestBuf;
Int Index;DestBuf=Dst;
Temp=(WORD far *)0xC0005555;/*設(shè)置地址為C000：555h*/
*Temp=0xAAAA; /*寫數(shù)據(jù)0xAAAA到此地址*/
Temp=(WORD far *)0xC0002AAA;/*設(shè)置地址為C000：2AAAh*/
*Temp=0x5555;/*寫數(shù)據(jù)0x5555到此地址*/
Temp=(WORD far*)0xC0005555;/*設(shè)置地址為C000：5555h*/
*Temp=0xA0A0;/*寫數(shù)據(jù)0xA0A0到此地址*/
*DestBuf=SrcWord;/*傳送字節(jié)到目的地址*/
Check_Toggle_Ready(DestBuf);/*等待TOGGLF位準(zhǔn)備好*/
}
源代碼見網(wǎng)站www.dpj.com.cn。
3．5 Flash文件系統(tǒng)的工作流程
在使用Flash文件系統(tǒng)前，先將FlashROM設(shè)備加入設(shè)備表中（最開始假設(shè)Flash中沒有任何文件），讀入Flash文件表。下面簡述系統(tǒng)工作流程。
（1）加入FlashROM設(shè)備
add_device("FlashROM",_MSA,flash_open,flash_close,flash_read,flash_write,flash_lseek,
flash_unlink,flash_rename);
其中flash_open、flash_close、flash_read、flsh_write、flash_lseek、flash_unlink、flash_rename是最底層的
flash驅(qū)動函數(shù)名稱。針對不同的Flash，需要不同的驅(qū)動函數(shù)。
int flash_open(char *path,unsigned flags,int fno);
int flash_close(int fno);
int flash_read(int fno,char *buffer,unsigned count);
int flash_write(int fno,char *buffer,unsigned count);
（2）初始化文件系統(tǒng)
在使用Flash前，必須初始化。初始化臨時(shí)文件緩沖區(qū)，將Flash的各種信息讀入到系統(tǒng)中，如Flash的大小，存在的文件的名稱、大小、建立日期等，這樣系統(tǒng)才能正確使用Flash.
Init_eFS();/*初始化文件系統(tǒng)函數(shù)*/
（3）執(zhí)行各種文件操作
如果要在Flash上打開一個文件，執(zhí)行fopen("FlashROM:路徑文件名"，“打開模式”)就可以了。當(dāng)打開文件時(shí)，先檢查文件表中是否存在該文件。如果沒有，則在Flash文件表中查找是否存在該文件。如果存在，則打開；如果沒有，則新建這樣一個文件，同時(shí)打開該文件。隨后就可以進(jìn)行文件的讀寫、追加、屬性修改等操作。
該Flash文件系統(tǒng)的幾個技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：
①利用RTS.LIB(TI附帶有源代碼RTS.SRC)的高級層文件操作功能。該庫已經(jīng)按照ANSI C標(biāo)準(zhǔn)處理了高層文件應(yīng)用問題。我們可以如同在上位機(jī)上編程一樣使用各種文件操作函數(shù)，不同的是將盤符改為FlashROM盤符。例如，將fopen("C: ead.txt","r")改為fopen("FlashROM: ead.txt","r")。用這種模式操作Flash,的繁瑣時(shí)序處理和扇區(qū)擦除等重復(fù)性問題，可以將精力集中到應(yīng)用編程上來。
②用自設(shè)計(jì)的Low Level級代碼接管了RTS.LIB的低層處理。前述的Flash文件信息表是核心，只有通過該表才能知道Flash中究竟有什么，在哪里操作。當(dāng)在API層操作文件時(shí)，高層函數(shù)將調(diào)用相應(yīng)的底層處理屬數(shù)，在Low Level判斷文件是否打開，是否可讀寫等屬性。同時(shí)為該文件分配一個內(nèi)緩沖區(qū)，所有對該文件的操作先操作緩沖區(qū)，即流操作。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，調(diào)用的操作先操作緩沖區(qū)，即流操作。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，調(diào)用Device Level級函數(shù)，將數(shù)據(jù)寫入Flash中。同樣，讀取的時(shí)候，是先讀取一個扇區(qū)內(nèi)容，處理完畢后再讀取下一扇區(qū)內(nèi)容。
操作鍵盤等其它外設(shè)相對Flash要簡單得多，不用設(shè)計(jì)文件信息表。執(zhí)行兩個步驟就可以使用。一是加入設(shè)備，調(diào)用add_device(……)函數(shù)，填入設(shè)備名；二是編寫設(shè)備驅(qū)動函數(shù)，將對應(yīng)的函數(shù)名作為參數(shù)傳入add_device()中。在這里要說明的是，不同設(shè)備、同樣的操作名其實(shí)際含義是不同的。如對鍵盤打開一個字符，則意味著讀入一個字符，因此在實(shí)際中應(yīng)用靈活處理。
結(jié)語
該Flash文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的文件讀寫功能，但是還有些不足地方：文件共享問題沒有解決，在掉電的情況下可能導(dǎo)致文件丟失。由于我們研制這個Flash系統(tǒng)的目的在于方便編程、調(diào)試；同時(shí)在我們的應(yīng)用領(lǐng)域（電力系統(tǒng)繼電保護(hù)）中，掉電的幾率非常低，存儲的文件主要是整定值、控制字（修改不多）和故障濾波記錄。這些數(shù)據(jù)即使丟失也不會造成災(zāi)難性的后果，故該系統(tǒng)在整體上滿足我們的應(yīng)用需求。
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