基于Blackfin處理器實現(xiàn)對硬盤FAT32文件系統(tǒng)的操作
1 IDE硬盤原理
1.1 IDE硬盤的尋址
硬盤的存儲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
它的基本存儲單元叫作扇區(qū)(Sector)，除此之外。硬盤還有兩個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，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：
＝NH×NS×C+NS×H+S－1；
C＝(LBA div NS)div NH；
H＝(LBA div NS)mod NH；
S＝(LBA mod NS)+1
NH表示每個柱面的磁頭數(shù)，NS表示每個磁道的扇區(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)表只有四個分區(qū)表項，它們可以直接描述分區(qū)，也可以通過擴(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)完全無關(guān)的，在每一個分區(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)展的過程中，出現(xiàn)了FAT12、FAT16、FAT32三個版本，其中，F(xiàn)AT12文件系統(tǒng)由于具有一些致命的缺點，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)的對比。
FAT文件系統(tǒng)的原理可以簡單地描述為把存儲空間分塊映射到一個表中，從而實現(xiàn)對存儲空間的靈活支配。存儲空間中的每一個塊被稱作簇，存儲空間的映射表被稱作FAT表。三種FAT文件系統(tǒng)的一個明顯區(qū)別就是FAT表中表示一個簇所用的位數(shù)不同，分別是12、16和32。文件的存儲是不必連續(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，而且實現(xiàn)起來簡單，所以是理想的嵌入式系統(tǒng)大容量存儲文件管理方案。
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問題，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，BPB(Bios Parameter Block)、擴(kuò)展BPB、引導(dǎo)程序和結(jié)束符；
(2) FAT表，實際數(shù)據(jù)存儲空間的映射表，F(xiàn)AT1和FAT2完全一致，后者作為前者的備份；
(3) 實際數(shù)據(jù)存儲空間，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)作一個特殊的文件來處理，起始簇是2。
2.3 FAT32文件系統(tǒng)對文件的管理
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)都對應(yīng)一組數(shù)據(jù)作為文件描述，被稱為文件目錄項。每個目錄內(nèi)的所有文件和子目錄的文件目錄項都存儲在這個目錄對應(yīng)的存儲空間內(nèi)，每一個文件目錄項有32個字節(jié)，主要包括文件名、文件屬性、文件大小、文件存儲位置以及一系列的時間描述等。 把文件路徑、文件目錄項、FAT表聯(lián)系在一起就可以完全把握一個文件在硬盤的存儲情況。圖5所示是一個例子，通過下面的步驟定位文件的所有內(nèi)容：
(1) 通過路徑找到文件所在目錄的簇(a)。
(2) 在目錄對應(yīng)的空間(c)內(nèi)比對文件名，找到文件對應(yīng)的文件目錄項(d)。
(3) 通過文件目錄項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)確定文件的存儲空間(e)。
3 IDE硬盤接口設(shè)計
3.1 ADSP-BF533 EZKIT Lite評估板簡介[5]
Blackfin533是美國Analog Devices公司開發(fā)的具有MISC體系的微處理器。這種體系是同時具有RISC指令集和DSP內(nèi)核的一個集合，所以Blackfin533既可以作為通用嵌入式微處理器進(jìn)行開發(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的開發(fā)應(yīng)用而提供的評估板。它可以與PC機(jī)通過USB或者PCI接口的仿真器進(jìn)行調(diào)試，操作使用簡單方便。評估板的核心是一片Blackfin533處理器，輸入頻率是27MHz，可以通過內(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評估板的片上資源非常豐富。有32M SDRAM(16M×16bit)、2M Flash(512K×16bit×2)；通過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)計的。
3.2 硬件設(shè)計
IDE接口擴(kuò)展板的設(shè)計是基于Blackfin533芯片的EBIU(External Bus Interface Unit)設(shè)計的。
EBIU是Blackfin533與外部存儲器之間的一個通用外部總線接口，通過對EBIU控制寄存器的設(shè)置，既可以連接SDRAM等同步存儲器，也可以連接ROM、FIFOs、Flash等異步存儲器。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)計了IDE接口方案，使Blackfin533可以通過這一接口實現(xiàn)對硬盤的操作，如圖7所示。
4 FAT32文件系統(tǒng)軟件設(shè)計
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語言編寫，調(diào)用關(guān)系分為五個層次，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、帶實時運(yùn)行庫的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++這個軟件平臺上就可以方便地進(jìn)行DSP程序的開發(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所示的方式對文件的任意內(nèi)容進(jìn)行操作。但是這個操作是要針對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IDE接口緩存與控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?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)。
通過研究理論上文件操作的過程發(fā)現(xiàn)，對FAT表的操作大大地影響了對文件的連續(xù)讀寫。在實際程序設(shè)計中，為了解決這個問題，一方面在描述文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中指定一個成員來記錄當(dāng)前文件操作指針?biāo)诘拇?，另一方面把部分FAT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)。實驗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數(shù)量級。
4.3 功能設(shè)計
一組完善的文件系統(tǒng)庫函數(shù)是最基本的對文件操作的功能實現(xiàn)函數(shù)，應(yīng)包括文件的打開、關(guān)閉、讀、寫、定位等函數(shù)。本人設(shè)計十個函數(shù)供外部調(diào)用，即文件的打開、關(guān)閉、讀、寫、定位、查找、目錄列表、重命名、創(chuàng)建目錄、刪除等。通過最上層的庫函數(shù)調(diào)用第二層的具體功能函數(shù)來實現(xiàn)這些函數(shù)的操作，其中最主要的三個功能函數(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，生成這個文件的指針，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超過原文件大小，所以必須考慮在硬盤上開辟新的空間和修改文件信息等問題，流程圖如圖11所示。
本文介紹了一種基于Blackfin533處理器實現(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，其它程序可以很簡單地調(diào)用庫中提供的FAT32文件系統(tǒng)操作函數(shù)，實現(xiàn)一種基于Blackfin533處理器的嵌入式大容量文件存儲管理的解決方案。
參考文獻(xiàn)
1 IDE - Hardware Reference & Information Document. http://www.repairfaq.org/filipg/LINK/F_IDE-tech.html, 1996.11.6
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)開發(fā).北京：電子工業(yè)出版社, 2004
下載文檔
