基于System ACE的DSP文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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引 言
目前,對(duì)圖像處理系統(tǒng)的速度和精度要求越來(lái)越高,采樣的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大。而嵌入式系統(tǒng)中的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻,嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大。為了能夠?qū)崿F(xiàn)DSP(Digital Signal Processing)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行,需要大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)用于保存采樣結(jié)果。但是板載的Flash等容量通常不大,SDRAM掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失,并且它們無(wú)法方便地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)主機(jī)上。閃存技術(shù)的不斷發(fā)展,使得閃存卡(如CF卡、SD卡等)因其體積小、容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在嵌入式存儲(chǔ)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因此,本文介紹一種使用CF卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的方法。FAT16文件系統(tǒng)具有出色的文件管理性能,能被大多數(shù)操作系統(tǒng)識(shí)別,因此將CF卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式存儲(chǔ)、記錄系統(tǒng)的一個(gè)理想方案。
1 System ACE原理
1.1 System ACE簡(jiǎn)介
System ACE(System Advanced Configuration Environment)是Xilinx公司開發(fā)的系統(tǒng)高級(jí)配置系列,用以滿足面向多個(gè)FPGA的系統(tǒng)對(duì)高效空間、預(yù)置、高密度配置需求的解決方案。System ACE技術(shù)是一種突破性的系統(tǒng)內(nèi)可配置的解決方案,大幅節(jié)省了開發(fā)工作;與傳統(tǒng)的PROM相比,每比特成本也大大降低。System ACE技術(shù)是高容量FPGA系統(tǒng)的嵌入式解決方案。
System ACE系列把xilinx配置控制的專業(yè)技術(shù)和專注于存儲(chǔ)的產(chǎn)業(yè)結(jié)合在一起,它的第1個(gè)成員是SystemACE CF(CompactFlash)。
System ACE CF是1個(gè)芯片集,由2部分組成:一個(gè)是ACE控制器,另一個(gè)就是用于存儲(chǔ)的CF卡。
1.2 ACE控制器
如圖1所示,ACE控制器有4個(gè)接口,分別用來(lái)連接CF(CompactFlash)、MPU(Microprocessor)、用于連接FPGA的CFGJTAG(Configration JTAG)、允許高度靈活配置的TSTJTAG(Test JTAG)。下面著重介紹CF卡接口和MPU接口。
1.3 CF卡接口
CF卡接口可以連接的CF卡類型有Xilinx ACEFlash卡、任意標(biāo)準(zhǔn)的CF卡、高達(dá)8 Gb的IBM微型硬盤,以及所有有相同外形和電路板空間需求的存儲(chǔ)卡。
CF卡接口由2部分組成:一是CF卡控制器,二是CF卡仲裁器。CF卡控制器不僅用來(lái)檢測(cè)和維護(hù)CF卡設(shè)備的狀態(tài),而且還處理所有的CF設(shè)備的訪問(wèn)總線周期及提煉和執(zhí)行CF命令(如軟復(fù)位、讀/寫段)等。CF卡仲裁器決定微處理器和配置JTAG控制器哪一個(gè)來(lái)訪問(wèn)CF卡的數(shù)據(jù)緩沖。
1.4 MPU接口
MPU接口功能:
◆MPU接口提供了監(jiān)控System ACE控制器和ACE Flash讀寫數(shù)據(jù)的功能。
◆MPU接口能夠識(shí)別CF卡并對(duì)CF卡進(jìn)行讀寫。
◆MPU接口能夠控制配置流,包括監(jiān)控ACE控制器的配置狀態(tài)和錯(cuò)誤狀態(tài),還能延時(shí)配置、開始配置、決定CF卡或MPU的配置源,控制比特流版本以及復(fù)位設(shè)備等。
本文就是利用ACE控制器的MPU接口,在該接口處連接DSP芯片,并通過(guò)CF卡為DSP加載文件系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
1.5 System ACE的文件和目錄
?。瓵CE是在目錄結(jié)構(gòu)的最底層。Xilinx的SystemACE軟件能夠?qū)⒈忍亓鬓D(zhuǎn)換為.ACE文件。1個(gè).ACE文件代表特定設(shè)備鏈的比特流。
.collection是目錄結(jié)構(gòu)中緊挨著.ACE的上一層,由8個(gè).ACE組成。在System ACE環(huán)境下,同一.collection下的所有.ACE文件都可以處理。
在1個(gè)CF卡設(shè)備中有多個(gè)collection,但在任意一時(shí)問(wèn)只能有1個(gè)被激活,至于哪一個(gè)被操作是通過(guò)xilinx.sys文件來(lái)決定的。xilinx.sys文件在ACE Flash設(shè)備的根目錄下。ACE控制器能夠解析xilinx.sys文件。若根目錄下面沒(méi)有xilinx.sys文件,則必須有1個(gè).ACE文件來(lái)充當(dāng)此角色。
System ACE目錄結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計(jì)使得它能夠維護(hù)多個(gè)版本或者是不同設(shè)計(jì)的collection。每一個(gè)collection目錄可以有1個(gè)或者多個(gè)不同的子目錄。每一個(gè)子目錄只能包含1個(gè).ACE文件。
Sysrem ACE目錄結(jié)構(gòu)的規(guī)則如下:
◆Sysrem ACE配置文件必須放在CF卡設(shè)備的第1分區(qū)。
◆Sysrem ACE分區(qū)必須被格式化為FAT12或者FAT16格式。
◆xilinx.sys必須在根目錄下。當(dāng)xilinx.sys不存在時(shí),根目錄下必須有1個(gè).ACE來(lái)充當(dāng)此角色。
2 CF卡原理
CF(Compact Flash)卡是以閃存為存儲(chǔ),具有容量大(512 MB)、功耗低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛的應(yīng)用。CF卡讀寫的最小單位為1個(gè)扇區(qū)(512字節(jié)),讀寫操作是通過(guò)卡內(nèi)緩沖區(qū)進(jìn)行的,不支持直接讀寫存儲(chǔ)區(qū)域。
CF卡可以工作在3種模式:PC Card Memory(Memory模式),PC Card I/O(I/O模式)和True IDE模式。PCCARD模式與PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)兼容。TRUE IDE模式與ATA/ATAPI-4標(biāo)準(zhǔn)兼容。當(dāng)上電時(shí),如果OE接地,則進(jìn)入True IDE模式,在此模式下只可以存取任務(wù)寄存器。另外2種模式需要通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)寄存器來(lái)選擇。
CF卡的操作方式與硬盤的操作方式相似。CF卡讀寫必須以扇區(qū)為單位,每個(gè)扇區(qū)為512字節(jié),每次可以讀寫1個(gè)扇區(qū)或連續(xù)多個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)的尋址方式有2種:邏輯尋址(LBA)和物理尋址(CHS),它們之間的關(guān)系為:
LBA=(柱面號(hào)×磁頭數(shù)+磁頭號(hào))×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1
尋址方式采用LBA(Logic Block Address),該方式將全部扇區(qū)映射至1塊連續(xù)的地址空間中,這樣可以大大簡(jiǎn)化編程的工作,同時(shí)避免了柱面、磁頭和扇區(qū)之間的換算,使尋址更方便。對(duì)CF卡的配置及各種操作,如讀寫、刪除、格式化等,都通過(guò)寫特殊功能寄存器完成。
3 文件系統(tǒng)的建立
3.1 文件系統(tǒng)的引入
100個(gè)數(shù)在文件系統(tǒng)中是如何存放的呢?在計(jì)算機(jī)中是以0/1二進(jìn)制的形式簡(jiǎn)單地存放在存儲(chǔ)介質(zhì)中。如果不同的數(shù)多,如何處理?這就引出了文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)實(shí)際上就是對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。本文在CF卡上建立的文件系統(tǒng)是FAT16。FAT16是Microsoft較早推出的文件系統(tǒng),具有高度兼容性,目前仍然廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦尤其是移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。
硬盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5部分:MBR(Main Boot Record,主引導(dǎo)扇)區(qū),DBR(DosBoot Record,操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄)區(qū),F(xiàn)AT(File AllocationTable,文件分配表)區(qū),DIR(Directory,根目錄)區(qū),DATA區(qū)。
MBR區(qū)位于整個(gè)硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)(可以看作是硬盤的第1個(gè)扇區(qū)),bios在執(zhí)行自己固有的程序以后就會(huì)跳轉(zhuǎn)到mbr中的第1條指令,將系統(tǒng)的控制權(quán)交由mbr來(lái)執(zhí)行。在總共512字節(jié)的主引導(dǎo)記錄中,MBR的引導(dǎo)程序占了其中的前446字節(jié)(偏移0H~偏移1BDH),隨后的64字節(jié)(偏移1BEH~偏移1FDH)為DPT(Disk Partition Table,硬盤分區(qū)表),最后的2字節(jié)“55 AA”(偏移1FEH~偏移1FFH)是分區(qū)有效結(jié)束標(biāo)志。MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同,即不同的操作系統(tǒng)可能會(huì)存在相同的MBR,即使不同,MBR也不會(huì)夾帶操作系統(tǒng)的性質(zhì),具有公共引導(dǎo)的特性。
DBR(Dos Boot Record,操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄)區(qū)通常占用分區(qū)的第0扇區(qū),共512字節(jié)(特殊情況下也要占用其他保留扇區(qū),這里先說(shuō)第0扇)。在這512字節(jié)中,其實(shí)又是由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志和操作系統(tǒng)版本號(hào)、BPB(BIOS Parameter Block)、擴(kuò)展BPB、os引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。
FAT表是用FAT16來(lái)記錄磁盤數(shù)據(jù)區(qū)簇鏈結(jié)構(gòu)的。如前面的例子,F(xiàn)AT將磁盤空間按一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分,這樣的單位稱為簇。通常情況下,每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的。簇的大小一般是2n(n為整數(shù))個(gè)扇區(qū)的大小,像512 B、1 KB、2 KB、4 KB、8 KB、16 KB、32 KB、64 KB。實(shí)際中通常不超過(guò)32 KB。之所以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進(jìn)行磁盤的分配,是因?yàn)楫?dāng)分區(qū)容量較大時(shí),采用大小為512位的扇區(qū)管理會(huì)增加FAT表的項(xiàng)數(shù),對(duì)大文件存取增加消耗,文件系統(tǒng)效率不高。
DIR(Directory)是根目錄區(qū),緊接著第二FAT表(即備份的FAT表)之后,記錄著根目錄下每個(gè)文件(目錄)的起始單元、文件的屬性等。定位文件位置時(shí),操作系統(tǒng)根據(jù)DIR中的起始單元,結(jié)合FAT表就可以知道文件在硬盤中的具體位置和大小了。
數(shù)據(jù)區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地方,位于DIR區(qū)之后,占據(jù)硬盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)空間。
3.2 FAT16文件系統(tǒng)存儲(chǔ)原理
在FAT文件系統(tǒng)中,文件的存儲(chǔ)依照FAT表制定的簇鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。同時(shí),F(xiàn)AT文件系統(tǒng)將組織數(shù)據(jù)時(shí)使用的目錄也抽象為文件,以簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)據(jù)的管理。格式化FAT16分區(qū)時(shí),格式化程序根據(jù)分區(qū)的大小確定簇的大小,然后根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目、根目錄的扇區(qū)數(shù)目、數(shù)據(jù)區(qū)可分的簇?cái)?shù)與FAT表本身所占空間來(lái)確定FAT表所需的扇區(qū)數(shù)目,之后將計(jì)算結(jié)果寫入DBR的相關(guān)位置。FAT16 DBR參數(shù)的偏移0x11處記錄了根目錄所占扇區(qū)的數(shù)目。偏移0x16記錄了FAT表所占扇區(qū)的數(shù)據(jù)。偏移0x10記錄了FAT表的副本數(shù)目。系統(tǒng)在得到這幾項(xiàng)參數(shù)以后,就可以確定數(shù)據(jù)區(qū)的開始扇區(qū)偏移了。FAT16文件系統(tǒng)從根目錄所占的32個(gè)扇區(qū)之后的第1個(gè)扇區(qū)開始以簇為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,這之前仍以扇區(qū)為單位。對(duì)于根目錄之后的第1個(gè)簇,系統(tǒng)并不編號(hào)為第0簇或第1簇,而是編號(hào)為第2簇,也就是說(shuō)數(shù)據(jù)區(qū)順序上的第1個(gè)簇也是編號(hào)上的第2簇。FAT文件系統(tǒng)之所以有12、16、32不同的版本之分,其根本在于FAT表用來(lái)記錄任意一簇鏈接的二進(jìn)制位數(shù)。以FAT16為例,每一簇在FAT表中占據(jù)2字節(jié)(二進(jìn)制16位)。所以,F(xiàn)AT16最大可以表示的簇號(hào)為0xFFFF(十進(jìn)制的65535),以32 KB為簇的大小的話,F(xiàn)AT32可以管理的最大磁盤空間為:32 KB×65 535=2 048 MB,這就是為什么FAT16不支持超過(guò)2 GB分區(qū)的原因。FAT表實(shí)際上是1個(gè)數(shù)據(jù)表,以2字節(jié)為單位,我們暫將這個(gè)單位稱為FAT記錄項(xiàng),通常情況其第1、2個(gè)記錄項(xiàng)(前4個(gè)字節(jié))用作介質(zhì)描述。從第3個(gè)記錄項(xiàng)開始記錄除根目錄外的其他文件及文件夾的簇鏈情況。[!--empirenews.page--]
4 DSP對(duì)CF卡的讀寫操作
4.1 DSP對(duì)CF卡讀寫的硬件電路
通過(guò)在MPU端口處連接DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)CF卡的讀寫,圖2為DSP讀寫CF卡的示意圖,圖3為硬件連接圖。
4.2 DSP對(duì)CF卡讀寫的軟件流程
圖4為DSP讀寫CF卡數(shù)據(jù)的軟件流程。首先,DSP通過(guò)MPU端口訪問(wèn)CF卡前必須獲得CF卡鎖,否則進(jìn)入等待直到CF卡處于空閑狀態(tài)或者強(qiáng)制獲得CF卡鎖。其次,CF卡數(shù)據(jù)的讀寫是以扇區(qū)為單位的。1個(gè)扇區(qū)可以分為若干個(gè)sector,每個(gè)sector的大小固定為512字節(jié),每個(gè)sector又可分為16個(gè)buffer。若已知CF卡的容量就可以通過(guò)計(jì)算來(lái)設(shè)置LBA、sector變量以及buffer變量。最后,對(duì)buffer進(jìn)行讀寫,讀寫結(jié)束后釋放CF卡鎖。
4.3 程序設(shè)計(jì)
可以通過(guò)以下函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)CF卡的讀寫。
◆獲得CF卡鎖:Uint32 get_CF_lock(void);
◆檢測(cè)CF卡當(dāng)前狀態(tài):Uint32 check_CF_ready (void);
◆檢測(cè)buffer是否準(zhǔn)備就緒:Uint32 wait_buffer_ready(void);
◆讀CF卡數(shù)據(jù):Uint32 read_data_from_CF(Uint8*p_data,Uint32 LBA,Uint16 Sector Count);
◆向CF卡寫數(shù)據(jù):Uint32 write_data_to_CF(Uint8*p_data,Uint32 LBA,Uint16 Sector_Count);
◆復(fù)位:void reset(void)。
結(jié) 語(yǔ)
本文實(shí)現(xiàn)了DSP通過(guò)System ACE對(duì)CF卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理,充分利用了SystemACE技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)配置方案,突破了傳統(tǒng)的多FPGA應(yīng)用環(huán)境。
CF卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)具有容量大、接口簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低廉和可靠性較高等特點(diǎn),結(jié)合FAT16文件系統(tǒng),可以很方便地存儲(chǔ)和回放數(shù)據(jù)。