基于Blackfin處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤FAT32文件系統(tǒng)的操作

Blackfin處理器是美國(guó) Analog Devices公司推出的專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型嵌入式處理器。當(dāng)Blackfin用于音視頻的處理時(shí)，大數(shù)據(jù)量媒體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理便成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在處理大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方案中，使用最為普遍的便是IDE硬盤。而針對(duì)文件的管理，由于FAT32文件系統(tǒng)在大容量文件分區(qū)管理方面具有很高的性能，而且可以在大多數(shù)操作系統(tǒng)中被識(shí)別，因此具有很高的兼容性。所以IDE硬盤加上FAT32文件系統(tǒng)可以作為嵌入式系統(tǒng)大容量文件存儲(chǔ)管理的理想方案。本文主要闡述此方案基于Blackfin533處理器的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。硬件部分為基于ADSP-BF533 EZKIT Lite評(píng)估板設(shè)計(jì)的IDE接口擴(kuò)展板；軟件部分包括基于擴(kuò)展板和VisualDSP++ IDDE開(kāi)發(fā)的IDE接口驅(qū)動(dòng)程序和FAT32文件系統(tǒng)操作函數(shù)。
1 IDE硬盤原理
1.1 IDE硬盤的尋址
　　硬盤的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　它的基本存儲(chǔ)單元叫作扇區(qū)(Sector)，除此之外。硬盤還有兩個(gè)重要的組成部分就是磁頭(Head)和柱面(Cylinder)，它們共同組成硬盤的尋址空間，其地址被稱為物理地址。顯然，物理地址尋址方式不夠直觀、現(xiàn)在的大多數(shù)硬盤都支持另外一種尋址方式，其地址被稱為邏輯地址(LBA)，它把扇區(qū)順序編號(hào)，不必再考慮C、H、S等參數(shù)。LBA和C、H、S的換算關(guān)系如下：
　?。絅H×NS×C+NS×H+S－1；
　　C＝(LBA div NS)div NH；
　　H＝(LBA div NS)mod NH；
　　S＝(LBA mod NS)+1
　　NH表示每個(gè)柱面的磁頭數(shù)，NS表示每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)，C表示柱面數(shù)^[1]。
1.2 硬盤的引導(dǎo)原理
　　硬盤分區(qū)的引導(dǎo)原理如圖2所示。

　　硬盤的第一個(gè)扇區(qū)(0柱面，0磁頭，1扇區(qū))被稱作主引導(dǎo)扇區(qū)——MBR(Master Boot Record)。在MBR中，主要內(nèi)容就是引導(dǎo)代碼和主分區(qū)表。主分區(qū)表只有四個(gè)分區(qū)表項(xiàng)，它們可以直接描述分區(qū)，也可以通過(guò)擴(kuò)展分區(qū)表進(jìn)行擴(kuò)展^[2]。
　　這種引導(dǎo)組織形式是與文件系統(tǒng)完全無(wú)關(guān)的，在每一個(gè)分區(qū)內(nèi)，使用者可以根據(jù)自己的需要安裝任意的文件系統(tǒng)。但使用何種文件系統(tǒng)要在響應(yīng)的分區(qū)表項(xiàng)內(nèi)作記錄。
2 FAT32文件系統(tǒng)概述^[2][4]
2.1 FAT文件系統(tǒng)
　　FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)是微軟在20世紀(jì)70年代末到80年代初發(fā)布的，由微軟的MS-DOS操作系統(tǒng)支持。在發(fā)展的過(guò)程中，出現(xiàn)了FAT12、FAT16、FAT32三個(gè)版本，其中，F(xiàn)AT12文件系統(tǒng)由于具有一些致命的缺點(diǎn)，很早就被FAT16取代了，而FAT16和FAT32目前還在廣泛使用。表1是三種文件系統(tǒng)的對(duì)比。

　　FAT文件系統(tǒng)的原理可以簡(jiǎn)單地描述為把存儲(chǔ)空間分塊映射到一個(gè)表中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)空間的靈活支配。存儲(chǔ)空間中的每一個(gè)塊被稱作簇，存儲(chǔ)空間的映射表被稱作FAT表。三種FAT文件系統(tǒng)的一個(gè)明顯區(qū)別就是FAT表中表示一個(gè)簇所用的位數(shù)不同，分別是12、16和32。文件的存儲(chǔ)是不必連續(xù)的，但在FAT表中可用鏈表的形式把文件聯(lián)系在一起，如圖3所示。

　　由于FAT文件系統(tǒng)目前在大部分操作系統(tǒng)上都給予了支持，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，所以是理想的嵌入式系統(tǒng)大容量存儲(chǔ)文件管理方案。
2.2 FAT32文件系統(tǒng)
　　由于FAT16文件系統(tǒng)在大容量分區(qū)管理方面的效率急劇下降，而FAT32文件系統(tǒng)卻很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，所以在大分區(qū)管理方面，F(xiàn)AT32是理想的文件系統(tǒng)。

　　FAT32文件系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上延續(xù)了FAT文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖4所示，主要由以下三部分組成：
　　(1) DBR(Dos Boot Record)，包括跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志、os版本號(hào)，BPB(Bios Parameter Block)、擴(kuò)展BPB、引導(dǎo)程序和結(jié)束符；
　　(2) FAT表，實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的映射表，F(xiàn)AT1和FAT2完全一致，后者作為前者的備份；
　　(3) 實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，相比FAT16，從簇2不再有專門的根目錄空間，而是把根目錄也當(dāng)作一個(gè)特殊的文件來(lái)處理，起始簇是2。
2.3 FAT32文件系統(tǒng)對(duì)文件的管理
　　除了根目錄的所有文件(子目錄也作為一種特殊的文件存在)都對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)作為文件描述，被稱為文件目錄項(xiàng)。每個(gè)目錄內(nèi)的所有文件和子目錄的文件目錄項(xiàng)都存儲(chǔ)在這個(gè)目錄對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間內(nèi)，每一個(gè)文件目錄項(xiàng)有32個(gè)字節(jié)，主要包括文件名、文件屬性、文件大小、文件存儲(chǔ)位置以及一系列的時(shí)間描述等。 把文件路徑、文件目錄項(xiàng)、FAT表聯(lián)系在一起就可以完全把握一個(gè)文件在硬盤的存儲(chǔ)情況。圖5所示是一個(gè)例子，通過(guò)下面的步驟定位文件的所有內(nèi)容：
　　(1) 通過(guò)路徑找到文件所在目錄的簇(a)。
　　(2) 在目錄對(duì)應(yīng)的空間(c)內(nèi)比對(duì)文件名，找到文件對(duì)應(yīng)的文件目錄項(xiàng)(d)。
　　(3) 通過(guò)文件目錄項(xiàng)確定文件的起始簇和文件大小。
　　(4) 根據(jù)FAT表內(nèi)的簇鏈(b)確定文件的存儲(chǔ)空間(e)。

3 IDE硬盤接口設(shè)計(jì)
3.1 ADSP-BF533 EZKIT Lite評(píng)估板簡(jiǎn)介^[5]
　　Blackfin533是美國(guó)Analog Devices公司開(kāi)發(fā)的具有MISC體系的微處理器。這種體系是同時(shí)具有RISC指令集和DSP內(nèi)核的一個(gè)集合，所以Blackfin533既可以作為通用嵌入式微處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用，又具有強(qiáng)大的DSP數(shù)據(jù)處理能力。
　　ADSP-BF533 EZKIT Lite是Analog Devices公司為方便Blackfin533的開(kāi)發(fā)應(yīng)用而提供的評(píng)估板。它可以與PC機(jī)通過(guò)USB或者PCI接口的仿真器進(jìn)行調(diào)試，操作使用簡(jiǎn)單方便。評(píng)估板的核心是一片Blackfin533處理器，輸入頻率是27MHz，可以通過(guò)內(nèi)部PLL控制工作在所需的工作頻率上，最高可達(dá)750MHz。
　　ADSP-BF533 EZKIT Lite評(píng)估板的片上資源非常豐富。有32M SDRAM(16M×16bit)、2M Flash(512K×16bit×2)；通過(guò)AD1836音頻處理芯片提供了四路音頻輸入和六路音頻輸出端口；通過(guò)ADV7183視頻解碼芯片和ADV7171視頻編碼芯片分別提供了三路視頻輸入和視頻輸出端口；此外，評(píng)估板還提供了UART、JTAG、按鈕電路和LED指示等設(shè)備，尤其是提供了一組功能齊全的擴(kuò)展接口便于其它設(shè)備的接入。IDE接口電路就是在這組擴(kuò)展接口的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。
3.2 硬件設(shè)計(jì)
　　IDE接口擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)是基于Blackfin533芯片的EBIU(External Bus Interface Unit)設(shè)計(jì)的。
　　EBIU是Blackfin533與外部存儲(chǔ)器之間的一個(gè)通用外部總線接口，通過(guò)對(duì)EBIU控制寄存器的設(shè)置，既可以連接SDRAM等同步存儲(chǔ)器，也可以連接ROM、FIFOs、Flash等異步存儲(chǔ)器。EBIU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　按照ATAPI協(xié)議^[3]在EBIU的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了IDE接口方案，使Blackfin533可以通過(guò)這一接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤的操作，如圖7所示。

4 FAT32文件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　FAT32文件系統(tǒng)接口程序是在VisualDSP++ 3.5集成編譯環(huán)境下編寫和調(diào)試的。程序用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，調(diào)用關(guān)系分為五個(gè)層次，如表2所示。

4.1 Visual DSP++3.5集成編譯環(huán)境^[6]
　　Visual DSP++ 3.5是Analog Devices公司為其DSP而開(kāi)發(fā)的一套方便的管理系統(tǒng)，完整的系統(tǒng)包括集成了Visual DSP++內(nèi)核的集成編譯和調(diào)試環(huán)境、帶實(shí)時(shí)運(yùn)行庫(kù)的C/C++優(yōu)化編譯器、匯編和鏈接器和仿真軟件以及大量的程序例程。VisualDSP++還有很多有用的功能，可以使開(kāi)發(fā)人員更準(zhǔn)確地把握程序占用內(nèi)部資源的情況，更直觀地了解程序內(nèi)部各函數(shù)的效率等等，這樣在Visual DSP++這個(gè)軟件平臺(tái)上就可以方便地進(jìn)行DSP程序的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。
4.2 文件讀寫策略優(yōu)化
　　FAT32文件系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)決定文件讀寫的策略，是提高程序讀寫文件速度的關(guān)鍵。理論上FAT32文件系統(tǒng)可以按照如圖8所示的方式對(duì)文件的任意內(nèi)容進(jìn)行操作。但是這個(gè)操作是要針對(duì)IDE硬盤進(jìn)行的，所以必須考慮IDE硬盤的數(shù)據(jù)傳輸特性。

　　IDE硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速率可分為外部傳輸率(External Transfer Rate)和內(nèi)部傳輸率(Internal Transfer Rate)。外部傳輸率指的是通過(guò)IDE接口緩存與控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?nèi)部傳輸率也稱硬盤持續(xù)傳輸率，是磁盤與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。后者比前者要慢很多，所以要提高傳輸速度，就要盡量連續(xù)讀寫，減少內(nèi)部刷寫緩存的次數(shù)。
　　通過(guò)研究理論上文件操作的過(guò)程發(fā)現(xiàn)，對(duì)FAT表的操作大大地影響了對(duì)文件的連續(xù)讀寫。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面在描述文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中指定一個(gè)成員來(lái)記錄當(dāng)前文件操作指針?biāo)诘拇兀硪环矫姘巡糠諪AT表提前讀入SDRAM中。這兩方面的處理大大減少了硬盤連續(xù)讀寫被打斷的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明這種方案大大提高了程序的效率，使速度大約提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。
4.3 功能設(shè)計(jì)
　　一組完善的文件系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)是最基本的對(duì)文件操作的功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)，應(yīng)包括文件的打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫、定位等函數(shù)。本人設(shè)計(jì)十個(gè)函數(shù)供外部調(diào)用，即文件的打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫、定位、查找、目錄列表、重命名、創(chuàng)建目錄、刪除等。通過(guò)最上層的庫(kù)函數(shù)調(diào)用第二層的具體功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些函數(shù)的操作，其中最主要的三個(gè)功能函數(shù)是fnFindFile、fnReadFile、fnWriteFile。
　　fnFindFile的功能是在指定目錄下查找和目標(biāo)文件名相匹配的文件目錄項(xiàng)，生成這個(gè)文件的指針，流程圖如圖9所示。
　　fnReadFile函數(shù)是讀文件函數(shù)。它的參數(shù)包括要讀入的地址、要讀入數(shù)據(jù)的單位尺寸、要讀入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和目標(biāo)文件的文件指針，流程圖如圖10所示。

 

　　fnWriteFile函數(shù)是寫文件函數(shù)。它的參數(shù)和基本流程和讀文件函數(shù)類似，但是由于寫文件可能會(huì)超過(guò)原文件大小，所以必須考慮在硬盤上開(kāi)辟新的空間和修改文件信息等問(wèn)題，流程圖如圖11所示。

　　本文介紹了一種基于Blackfin533處理器實(shí)現(xiàn)IDE硬盤的FAT32文件系統(tǒng)的操作的方案。這套系統(tǒng)是基于硬盤PIO傳輸模式設(shè)計(jì)的，硬盤PIO傳輸模式最大傳輸速度可達(dá)到8.3MByte/s，本系統(tǒng)讀文件速度平均可達(dá)6MByte/s，這說(shuō)明本系統(tǒng)具有較高的效率。這套系統(tǒng)可以在VisualDSP++ 3.5下編譯成庫(kù)，其它程序可以很簡(jiǎn)單地調(diào)用庫(kù)中提供的FAT32文件系統(tǒng)操作函數(shù)，實(shí)現(xiàn)一種基于Blackfin533處理器的嵌入式大容量文件存儲(chǔ)管理的解決方案。

參考文獻(xiàn)
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2 FAT文件系統(tǒng)原理(一)(二)(三)(四).http://www.sjhf.net, 2004-04-20
3 Information Technology -AT Attachment with Packet Interface Extension (ATA/ATAPI-4), T13,Revision 18,19 August 1998
4 Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification(Version 1.03). Microsoft Corporation, December 6, 2000
5 ADSP-BF533 EZ-KIT Late(r) Evaluation System Manual. Analog Device Inc,2000
6 劉 峰. Blackfin系列DSP原理與系統(tǒng)開(kāi)發(fā).北京：電子工業(yè)出版社, 2004