基于μcosII的嵌入式文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1  前言
    近年來隨著數(shù)碼相機、掃描儀、攝像手機等數(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千家萬戶。
    隨著國家廣電總局推行電視數(shù)字化的進程，數(shù)字電視全面鋪開。本項目的開發(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。
    在這個產(chǎn)品的開發(fā)過程中，一個關(guān)鍵性的問題就是為MB86H20B數(shù)字電視平臺擴展外部存儲的功能。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

圖1  Decoder與USB Host Controller連接原理圖
    ISP1160與MB86H20B（簡稱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序的接口。在此采用了IDE模式，按照ISP1160的時序要求對其進行了配置。ISP1160在20B上僅僅映射2個IO地址，一個為數(shù)據(jù)端口，一個為命令端口，由A0的高低電平區(qū)分[3]。
    ISP1160上的INT引腳連接到20B外部中斷引腳IRQ1。當中斷發(fā)生時，20B進入中斷服務(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。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)完成對文件的定位。
    物理設(shè)備的最小存儲單位是Sector（扇區(qū)），在DATA區(qū)中最小的存儲單位是Cluster（簇），在U盤的flash上一般由8個Section構(gòu)成一個Cluster。
    由于一個文件往往在DATA區(qū)上占用多個簇，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)采用簇鏈的方式索引一個文件所占用的簇鏈。FAT（File Allocate Table）記錄了DATA區(qū)哪些簇被使用，當前簇的后繼簇簇號[1]。 
4  FAT文件系統(tǒng)的實現(xiàn)
    本文件系統(tǒng)的實現(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。
4.1  協(xié)議層的實現(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個命令集。嚴格來說，大容量類主機端的驅(qū)動都應(yīng)全部支持以上指令集，但實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。

圖3  軟件結(jié)構(gòu)模型[!--empirenews.page--]
    U盤的整個文件系統(tǒng)在主機軟件的協(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應(yīng)的逆向操作。
表1  傳輸層API函數(shù)實現(xiàn)

4.2  傳輸層的實現(xiàn)
    傳輸處理層用于處理命令塊，包括主機傳輸命令塊到大容量類設(shè)備、主機與大容量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和主機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，使命令層不需理會當前大容量類設(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（Bulk Data Out Endpoint）傳輸出去。類似，也可以從批量輸入端點（Bulk Data In Endpoint）接收數(shù)據(jù)，向上傳遞到協(xié)議層解析。
4.3  USB主機協(xié)議棧的實現(xiàn)
    在U盤連接到USB電纜上后首先為ISP1160注冊一個Root Hub Class，再為U盤注冊一個Mass Storage Class的設(shè)備。接著，為了檢測U盤的連接，啟動查詢當前狀態(tài)的Host_Serve的任務(wù)。當ISP1160 與U盤連接后，ISP1160通過中斷通知20B，20B進入中斷服務(wù)程序改變當前狀態(tài)。在Host_Serve任務(wù)中檢測到狀態(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U盤進行的操作都經(jīng)過Bulk-Only傳輸完成。
typedef struct MASS_STORAGE_CLASS
    { unsigned char  LUN；/* 該設(shè)備的邏輯單元數(shù)*/
    struct _HMEDLUN *LUN_infor_ptr[MAX_MASS_LUN]； /*  邏輯單元描述信息結(jié)構(gòu)指針 */ 
    device_instance   *dvi_ptr；     
/*設(shè)備信息描述結(jié)構(gòu)指針*/
    endpoint_info  *setup_epi_ptr；   
/*控制端點描述信息結(jié)構(gòu)指針*/ 
    transfer_instance  *tr_bulk_in_ptr；    
/*批量輸入傳輸描述符*/
    transfer_instance  *tr_bulk_out_ptr；   
/*批量輸出傳輸描述符*/
    transfer_instance  *tr_int_in_ptr；  
/*中斷輸入傳輸描述符CBI-Only 使用*/
    unsigned char  SubclassCode；    
/*子類代碼*/
    unsigned char  ProtocolCode；    
/*傳輸協(xié)議代碼CBI或BULK*/ 
    unsigned char  *CBW_BuffPtr；    
/*批量傳輸?shù)拿畎彌_區(qū)指針*/
    unsigned char  RBC_BuffPtr[12]；   
/*命令設(shè)置緩沖區(qū)*/
}MassStorageClass，*PMassStorageClass；
    程序清單3.1 大容量設(shè)備描述信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
 
typedef struct _HMEDLUN
    { unsigned char LUN；    
//所在大容量設(shè)備的邏輯單元號
    MassStorageClass *MSC；    
//大容量設(shè)備的描述信息結(jié)構(gòu)
    unsigned char    VendorInfo[8]；   
//廠商信息
    unsigned char    ProductInfo[16]；   
//產(chǎn)品信息
    unsigned char    ProductRev[4]；   
//產(chǎn)品版本
    unsigned int  LastLogicalBlookAddress； 
//最后邏輯塊地址
    unsigned int    BlockLengthInBytes；  
//邏輯塊長度
    }hMedLUN；
    程序清單2.2 邏輯單元描述信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]
    實現(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File的各種操作包裝成一個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  性能測試
    基于已經(jīng)實現(xiàn)的方案，進行了詳細的測試。首先，對目錄的創(chuàng)建，目錄的刪除，進入目錄，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行了測試，均能圓滿完成以上功能。
    接下來對比較關(guān)鍵的文件讀取功能進行了詳盡的測試。測試所得到的結(jié)果完全達到了對數(shù)字相片讀取的要求。
表3  不同文件的讀取時間

6  結(jié)束語
    基于20B的UPI接口實現(xiàn)USB的傳輸，之前沒有可以參考的范例，完全是出于對硬件時序和文件系統(tǒng)的理解設(shè)計了整個解決方案。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，可以對文件系統(tǒng)做出一些優(yōu)化，盡量做到對flash的寫平衡，提高文件的讀取速度，減少文件系統(tǒng)對CPU和內(nèi)存資源的占用。