基于MCF51QE128的SD卡文件系統(tǒng)設計

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的嵌入式設備需要處理大量的數(shù)據(jù)，使用文件系統(tǒng)將成為這類嵌入式應用的一個必然趨勢。本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器和SD卡，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)深入探討了FATl6文件系統(tǒng)及其存儲原則，實現(xiàn)了文件的創(chuàng)建、打開和多扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫。
關(guān)鍵詞：MCF51QEl28；SD卡；FATl6文件系統(tǒng)

引言
    MCF51QEl28微控制器是Freescale公司生產(chǎn)的8位／32位兼容的低功耗微處理器。工作電壓的典型值是3．6V，與SD卡的工作電壓兼容，可直接與SD卡連接而無需電平轉(zhuǎn)換電路。SD卡因為其體積小、功耗低、容量大且成本低，目前被廣泛應用于各類嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本文針對此類應用，通過實測512MB SD卡數(shù)據(jù)，以實例的形式深入解析了FATl6文件系統(tǒng)的存儲原則，并給出了實現(xiàn)方案。

1 FATl6文件系統(tǒng)
    SD卡格式化為FAT文件系統(tǒng)時，一般只采用1個分區(qū)，以便于存儲空間的管理。FATl6主要由圖1所示的6個陰影部分組成。通常情況下，每扇區(qū)的大小為512字節(jié)。

1. 1 主引導記錄
    MBR(Master Boot Record，主引導記錄)總是位于存儲卡的起始位置，即扇區(qū)O。圖2是主引導記錄的詳細信息。由于只有1個分區(qū)，所以由偏移量0x1BE可找到第1分區(qū)的入口，接著由偏移量0x08找到第1分區(qū)的相對起始扇區(qū)，即第1分區(qū)引導記錄所在的扇區(qū)。以512 MB SD卡為例，讀取圖2中地址OxlC6～OxlC9處的4個字節(jié)數(shù)據(jù)(由高位向低位讀取)，即Ox000000E9?？芍?，第1分區(qū)引導記錄位于SD卡的第0xE9個扇區(qū)。

1．2 分區(qū)引導記錄
    分區(qū)BR(Boot Record，引導記錄)位于分區(qū)的第O扇區(qū)。它由跳轉(zhuǎn)代碼，OEM(Original Eqtlipment Manufacturer，原始設備制造商)，BPB(BIOs Parameter Block，BIOS參數(shù)塊)，擴展BPB，引導代碼和結(jié)束標志(Ox55 AA)組成。圖3重點列出了分區(qū)引導記錄中BPB的各項參數(shù)。讀圖3中Ox000000E9扇區(qū)，由偏移量0x0B處2字節(jié)數(shù)據(jù)Ox0200=512可知，SD卡每扇區(qū)的字節(jié)數(shù)為512。類似地，可得到其他相關(guān)參數(shù)。

1．3 FAT表和文件存儲原則
    FATl6文件系統(tǒng)主要通過FAT表(FATl和FAT2)、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)實現(xiàn)對文件的存儲管理。FAT表記錄了數(shù)據(jù)文件的存儲鏈表，對數(shù)據(jù)的讀取極為重要，通常都會有一個或多個備份。這里，F(xiàn)AT2就是對FATl的備份，必須隨著FATl即時同步更新。根目錄一般以32字節(jié)為單位來存放文件記錄。[!--empirenews.page--]

     數(shù)據(jù)區(qū)主要存放文件數(shù)據(jù)，為了有效利用存儲空間，一般以簇為單位，簇的大小通常是2的，n次冪個扇區(qū)。FAT格式化后，簇的大小就確定下來了，可通過讀取分區(qū)引導記錄獲得。例如，讀取圖3中Ox000000E9扇區(qū)，由偏移量OxOD處1字節(jié)數(shù)據(jù)0x10=16可知，SD卡的1個簇占16個扇區(qū)。
    如果將SD卡的存儲空間想象成一本書，那么要閱讀一篇文章，首先應該打開目錄找到文章的頁碼，然后根據(jù)頁碼翻到文章所在的地方。類比到FATl6文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT表和根目錄就像書的目錄，簇號類似于書的頁碼，而數(shù)據(jù)區(qū)存放的就是文章的具體內(nèi)容。
    以打開文件為例，文件的存儲原則可以這樣描述：首先在根目錄中查找文件名，如有匹配，就找到了文件的開始簇號，好比知道了文章的頁碼。但文件的存儲和書不同，書的內(nèi)容一般是連續(xù)的，而文件在存儲后是可以隨意修改的(例如添加或刪除)，因而在存儲空間上可能不連續(xù)，這樣就無法僅通過開始簇號找到整個文件。那么怎樣才能完整找到這些不連續(xù)的數(shù)據(jù)呢?答案就是FAT表。FAT表以“0xF8FF FFFF”作為開始標志，以2字節(jié)為單位存放文件簇號。FAT表實質(zhì)是一個二維鏈表，如圖4所示。

    FAT表上面的數(shù)字是這2個字節(jié)在表中的位置序號，同時也代表文件的簇號，與數(shù)據(jù)區(qū)的簇號對應，類似目錄的頁碼。通常SD卡上第一個文件的開始簇號為2。若文件長度小于1簇，則其開始簇號所對應的2字節(jié)值為FFFF。若文件長度大于1簇，則其開始簇號所對應2字節(jié)中存放的是文件所在的下一個簇號，由所得簇號再查找其對應的2字節(jié)，可找到文件接下來的簇號。依此類推，直到最后所得簇號對應的2字節(jié)值為FFFF，即為文件的結(jié)束簇號。根據(jù)上述原則，由FAT表和根目錄就可以確定文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲簇號，從而實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的管理。

2 FATl6文件系統(tǒng)設計
    文件系統(tǒng)的基本功能包括：文件的創(chuàng)建、打開和讀寫。這里假定已經(jīng)實現(xiàn)了MCF51QEl28微控制器和SD卡的硬件接口和底層通信，具體細節(jié)參考文獻。
2．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    為了便于對主引導記錄、分區(qū)引導記錄、FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)中的相關(guān)信息進行記錄和處理，定義了FATl6_t和FILE_t兩個結(jié)構(gòu)體類型。數(shù)據(jù)類型byte、word和dword分別對應于8位、16位和32位數(shù)據(jù)。
    FATl6_t結(jié)構(gòu)體類型用于記錄主引導記錄和第1分區(qū)引導扇區(qū)信息，部分定義如下：

    FILE_t結(jié)構(gòu)體類型用于記錄每個文件項信息，部分定義如下：

2．2 FATl6初始化
    FATl6的初始化主要是讀取主引導記錄和第1分區(qū)引導扇區(qū)信息，并保存到FATl6_t類型變量中。初始化流程如圖5所示。

    FATl6初始化子程序中調(diào)用了底層SD卡讀數(shù)據(jù)塊函數(shù)SD_ReadBlock。其函數(shù)聲明為byte SD_ReadBlock(dword sector，byte*buffer)，用于讀入地址為sector扇區(qū)中的數(shù)據(jù)，暫存入buffer中。預編譯函數(shù)from_BE_32和from_BE_16分別實現(xiàn)由高位向低位讀取4字節(jié)和2字節(jié)數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
    FATl6初始化子程序聲明為byte Init_FAT(FArl6_t*FAT，byte*buffer)，部分代碼如下：

2．3 打開和創(chuàng)建文件
    打開和創(chuàng)建文件采用一個函數(shù)來實現(xiàn)。首先根據(jù)讀入的文件名查找根目錄，若有匹配項則打開文件，否則創(chuàng)建一個新文件。流程如圖6所示。

    打開和創(chuàng)建文件子程序聲明為byte Open_File(FILE_t*FILE，F(xiàn)ATl6_t*FAT，byte*buffer，byte*name)。部分代碼如下：

    在根目錄中查找是否有文件項匹配，從根目錄的第1個扇區(qū)開始讀扇區(qū)。

     根據(jù)文件起始簇號和根目錄的記錄項號，計算文件FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)的相關(guān)信息。對于根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)的信息，已有文件和新文件的計算一致。如果是新文件，還需修改FAT表和根目錄記錄項。
2．4 多扇區(qū)數(shù)據(jù)讀寫
    多扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫是在打開文件的基礎上，以扇區(qū)為單位讀寫文件，可連續(xù)讀寫多個扇區(qū)數(shù)據(jù)，同時寫入文件的屬性、日期和時間。寫數(shù)據(jù)的流程如圖7所示，讀數(shù)據(jù)與之類似。多扇區(qū)數(shù)據(jù)的寫子程序聲明為byte Write_File(FILE_t*FILE，F(xiàn)ATl6_t*FAT， byte attribute，word time，word date，dWOEd size_s，byte*buffer)，根據(jù)寫入扇區(qū)數(shù)size_s，設置文件的寫入位置。首先將寫入扇區(qū)數(shù)與文件剩余扇區(qū)數(shù)進行比較，若寫入扇區(qū)數(shù)小于等于剩余扇區(qū)數(shù)，則新寫入扇區(qū)數(shù)、簇數(shù)均為0，文件結(jié)束簇、寫簇號不變，不需要修改FAT表，僅修改根目錄中的文件長度。否則，需要計算新寫入扇區(qū)數(shù)和簇數(shù)。若有增加簇，則需修改FAT表，包括FATl和FAT2、根目錄的文件記，錄項。最后，將數(shù)據(jù)寫入文件數(shù)據(jù)區(qū)。

結(jié)語
    本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器，深入探討了SD卡上FATl6文件系統(tǒng)的存儲原則，給出了實現(xiàn)方案。軟件算法上，對單扇區(qū)數(shù)據(jù)讀寫進行改進，實現(xiàn)了連續(xù)多個扇區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫，大大提高了文件的讀寫效率，特別適用于數(shù)據(jù)量較大的視頻、音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的文件存儲。隨著SD卡的快速流行，在此類存儲設備中引入文件系統(tǒng)將得到更加廣泛的應用。