基于μcosII的嵌入式文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 前言

近年來隨著數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、攝像手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備的興起，數(shù)字照片成為人們生活中不可缺少的一部分。數(shù)碼相框作為一種新興的顯示媒介，以它大容量的存儲(chǔ)相片的能力，良好的顯示效果和多樣的功能正越來越迅速的走進(jìn)千家萬戶。

隨著國家廣電總局推行電視數(shù)字化的進(jìn)程，數(shù)字電視全面鋪開。本項(xiàng)目的開發(fā)正是基于這兩種考慮，開發(fā)了一種將數(shù)碼相框和數(shù)字電視相融合的產(chǎn)品。

在這個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程中，一個(gè)關(guān)鍵性的問題就是為MB86H20B數(shù)字電視平臺(tái)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)的功能。本文中提到的基于μcosII的嵌入式文件系統(tǒng)的解決方案較好的解決了這一問題。

2 嵌入式文件系統(tǒng)硬件連接圖

ISP1160與MB86H20B(簡(jiǎn)稱20B)之間的硬件連接圖如圖1，ISP的異步傳輸端口與20B上的UPI(Universal Peripheral InteRFace)接口相連，這是一種可以配置模式和時(shí)序的接口。在此采用了IDE模式，按照ISP1160的時(shí)序要求對(duì)其進(jìn)行了配置。ISP1160 在20B上僅僅映射2個(gè)IO地址，一個(gè)為數(shù)據(jù)端口，一個(gè)為命令端口，由A0的高低電平區(qū)分[3]。

圖1 Decoder與USB Host Controller連接原理圖

ISP1160上的INT引腳連接到20B外部中斷引腳IRQ1。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，20B進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀取ISP1160狀態(tài)寄存器。這就構(gòu)成了ISP1160到20B的數(shù)據(jù)反饋通路。

3 在U盤上構(gòu)建FAT32文件系統(tǒng)

FAT32文件系統(tǒng)由三部分構(gòu)成， 這三部分在邏輯盤上的結(jié)構(gòu)如圖2[1]所示。

圖2 FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

DBR(DOS Boot Record)包含BIOS參數(shù)塊和DOS引導(dǎo)程序。在BIOS參數(shù)塊中包含了每簇扇區(qū)數(shù)，保留扇區(qū)數(shù)，隱含扇區(qū)數(shù)，每FAT扇區(qū)數(shù)，根目錄FDT在DATA區(qū)的起始位置等重要信息。

DATA區(qū)是從U盤根目錄FDT(FAT Directory Table)開始的，在根目錄下用戶可以再創(chuàng)建不同的子目錄或文件，根目錄以及各個(gè)子目錄都有自己的FDT ，F(xiàn)DT 定義了文件名、文件大小以及文件存放的起始簇號(hào)。通過各子目錄和文件的FDT構(gòu)成的樹形文件索引結(jié)構(gòu)完成對(duì)文件的定位。

物理設(shè)備的最小存儲(chǔ)單位是Sector(扇區(qū))，在DATA區(qū)中最小的存儲(chǔ)單位是Cluster(簇)，在U盤的flash上一般由8個(gè)Section構(gòu)成一個(gè)Cluster。

由于一個(gè)文件往往在DATA區(qū)上占用多個(gè)簇，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)采用簇鏈的方式索引一個(gè)文件所占用的簇鏈。FAT(File Allocate Table)記錄了DATA區(qū)哪些簇被使用，當(dāng)前簇的后繼簇簇號(hào)[1]。

4 FAT文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可以分為USB協(xié)議棧和FAT32文件系統(tǒng)為主的四大部分[4]。層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)模型

4.1 協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)

大容量類設(shè)備都可能使用 RBC、SFF-8020i/MMC-2、QIC-157、UFI、SFF-8070i和 SCSI 等 6個(gè)命令集。嚴(yán)格來說，大容量類主機(jī)端的驅(qū)動(dòng)都應(yīng)全部支持以上指令集，但實(shí)際上常見的大容量設(shè)備都使用 SCSI 和 UFI 指令集。SCSI 和 UFI 指令集中常用的命令在大容量類協(xié)議中都可兼容。

U盤的整個(gè)文件系統(tǒng)在主機(jī)軟件的協(xié)議層抽象為UFI(USB Floppy Interface)設(shè)備，通過含有UFI指令的命令塊(Command Block)與U盤通信[5]。這層完成的功能有將文件系統(tǒng)中的操作翻譯為UFI指令，UFI指令打包成命令塊及其對(duì)應(yīng)的逆向操作。

表1 傳輸層API函數(shù)實(shí)現(xiàn)

4.2 傳輸層的實(shí)現(xiàn)

傳輸處理層用于處理命令塊，包括主機(jī)傳輸命令塊到大容量類設(shè)備、主機(jī)與大容量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和主機(jī)接收命令塊處理狀態(tài)。大容量類設(shè)備傳輸協(xié)議分為Bulk-Only協(xié)議和 CBI-Only協(xié)議。該層為命令層提供了命令塊處理函數(shù)的統(tǒng)一接口，使命令層不需理會(huì)當(dāng)前大容量類設(shè)備的傳輸協(xié)議。

傳輸層接收由協(xié)議層包裝好的命令塊，根據(jù)已注冊(cè)的Mass Storage Class設(shè)備的信息，采用單批量(Bulk Only)傳輸模式從批量輸出端點(diǎn)(Bulk Data Out Endpoint)傳輸出去。類似，也可以從批量輸入端點(diǎn)(Bulk Data In Endpoint)接收數(shù)據(jù)，向上傳遞到協(xié)議層解析。

4.3 USB主機(jī)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

在U盤連接到USB電纜上后首先為ISP1160注冊(cè)一個(gè)Root Hub Class，再為U盤注冊(cè)一個(gè)Mass Storage Class的設(shè)備。接著，為了檢測(cè)U盤的連接，啟動(dòng)查詢當(dāng)前狀態(tài)的Host_Serve的任務(wù)。當(dāng)ISP1160 與U盤連接后，ISP1160通過中斷通知20B，20B進(jìn)入中斷服務(wù)程序改變當(dāng)前狀態(tài)。在Host_Serve任務(wù)中檢測(cè)到狀態(tài)的改變，開始USB協(xié)議的通信。至此，U盤(USB Mass Storage設(shè)備)注冊(cè)完成(大容量類相關(guān)代碼見程序清單3.1，3.2，表2)。由此以后，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)所要對(duì)U盤進(jìn)行的操作都經(jīng)過Bulk- Only傳輸完成。

程序清單3.1 大容量設(shè)備描述信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

程序清單2.2 邏輯單元描述信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)的大容量類的API函數(shù)如表2所示。

表2 大容量類API函數(shù)列表

4.4 此文件系統(tǒng)在μcosII中的移植

FAT32文件系統(tǒng)來源于開源代碼，移植的主要工作是替換消息通訊函數(shù)。這些工作完成后，將對(duì)File的各種操作包裝成一個(gè)OSFile任務(wù)，接收應(yīng)用程序發(fā)出的文件操作要求。文件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)[2]

5 性能測(cè)試

基于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的方案，進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試。首先，對(duì)目錄的創(chuàng)建，目錄的刪除，進(jìn)入目錄，退出目錄，文件的創(chuàng)建，文件的刪除，文件的讀取，文件的寫入等基本功能進(jìn)行了測(cè)試，均能圓滿完成以上功能。

接下來對(duì)比較關(guān)鍵的文件讀取功能進(jìn)行了詳盡的測(cè)試。測(cè)試所得到的結(jié)果完全達(dá)到了對(duì)數(shù)字相片讀取的要求。

表3 不同文件的讀取時(shí)間

6 結(jié)束語

基于20B的UPI接口實(shí)現(xiàn)USB的傳輸，之前沒有可以參考的范例，完全是出于對(duì)硬件時(shí)序和文件系統(tǒng)的理解設(shè)計(jì)了整個(gè)解決方案。此方案解決了20B芯片上外掛U盤的問題， 從而使20B芯片可以應(yīng)用于數(shù)字相框(Digital Video Frame)領(lǐng)域。

為了讓文件系統(tǒng)能夠更好的適應(yīng)嵌入式應(yīng)用的需求，可以對(duì)文件系統(tǒng)做出一些優(yōu)化，盡量做到對(duì)flash的寫平衡，提高文件的讀取速度，減少文件系統(tǒng)對(duì)CPU和內(nèi)存資源的占用.