基于ARM和SD卡的嵌入式文件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對汽車性能檢測儀對數(shù)據(jù)的存儲和交換要求，在S3C2410A處理器和mCOS-II操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用SD卡設(shè)計(jì)開發(fā)了一種嵌入式文件系統(tǒng)。文章首先介紹SD卡的接口電路，接著給出實(shí)現(xiàn)本嵌入式文件系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)，并且對各層的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了剖析。

關(guān)鍵詞：嵌入式文件系統(tǒng)；SD卡；FAT16 ；S3C2410A

引言

隨著嵌入式處理器計(jì)算機(jī)能力的不斷提高，32位MPU已成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。本文針對汽車性能記錄儀研發(fā)中遇到的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)交換的問題，在ARM9嵌入式處理器和mC/OS-II操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用SD卡設(shè)計(jì)開發(fā)了一種嵌入式文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有支持多操作系統(tǒng)、易于移植和存儲速度快的特點(diǎn)。

接口電路設(shè)計(jì)

硬件平臺的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T內(nèi)核，主頻可達(dá)203MHz，內(nèi)部具有豐富的系統(tǒng)外圍設(shè)備控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS兩種接口模式，本系統(tǒng)采用BUS接口模式。S3C2410A與SD卡讀寫器的接口電路如圖1所示。

SD卡的DAT0~DAT3、CLK(時(shí)鐘線)和CMD(命令線)分別連接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引腳。SD卡支持單線和4線讀/寫，前者通過DAT0進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸，DAT1作為中斷口，最高傳輸速率25Mbps；后者通過DAT0~DAT3分別進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸，最高傳輸速率100Mbps。

SD卡嵌入式

文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)嵌入式文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，共分3層，包括SD卡驅(qū)動層、FAT16文件系統(tǒng)層和應(yīng)用層。其中，SD卡驅(qū)動層又分為4層：硬件抽象層、SD卡工具函數(shù)層、SD卡命令層和SD卡操作函數(shù)接口層。SD卡嵌入式文件系統(tǒng)是基于SD卡需要按整塊進(jìn)行存儲的特性建立起來的，以塊為單位對SD卡進(jìn)行管理，這樣既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作細(xì)節(jié)，為應(yīng)用層開發(fā)提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的API調(diào)用。為了便于與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系統(tǒng)。下面具體說明各層的實(shí)現(xiàn)。

SD卡驅(qū)動層

驅(qū)動層是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相應(yīng)寄存器的設(shè)置和向SD卡發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)SD卡初始化、讀、寫等操作，目的是為其上層提供相應(yīng)的功能函數(shù)，屏蔽直接對硬件的具體操作。

硬件抽象層

硬件抽象層主要完成對S3C2410A中SD卡控制器相應(yīng)寄存器的設(shè)置，將對SD卡直接控制抽象為對SD卡控制器的操作。

SD卡工具函數(shù)層

本層實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，所有的命令(Command)和響應(yīng)(Response，R3響應(yīng)除外)使用CRC7校驗(yàn)，生成多項(xiàng)式為：G(x)=x7+x3+1；數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC16，生成多項(xiàng)式為：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校驗(yàn)采用直接編程計(jì)算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。

SD卡命令層

本層宏定義了各種命令和響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了向SD卡發(fā)送各種命令的函數(shù)SD_SendCmd()和讀寫SD卡內(nèi)部寄存器等功能。SD總線上以位流的方式傳送命令和數(shù)據(jù)，分別以0和1表示起始和停止。SD卡讀寫時(shí)序如圖3所示。

Command發(fā)起每個(gè)操作，通過CMD線串行傳輸?shù)?。SD卡標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接發(fā)送，所有的ACMD命令在發(fā)送前必須先發(fā)送CMD55命令， Response是卡對命令的響應(yīng)，包括R1、R1b、R2、R3四種類型，通過CMD線傳輸。Data block通過DAT數(shù)據(jù)線傳輸，在寫操作過程中，由DAT0線傳輸busy信號。

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SD卡操作函數(shù)接口層

本層目的是為FAT16文件系統(tǒng)層提供所需的SD卡操作函數(shù)，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-獲得SD卡信息；SD_CalTimeout()-計(jì)算讀/寫/擦超時(shí)時(shí)間；SD_ReadBlock()-讀單塊數(shù)據(jù)；SD_ReadMultiBlock()-讀多個(gè)塊數(shù)據(jù)；SD_WriteBlock()-向SD卡中寫入一個(gè)塊；SD_Write MultiBlock()-向SD卡寫入多塊數(shù)據(jù)；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的塊。以單塊數(shù)據(jù)寫為例說明，當(dāng)SD卡接收到單塊寫命令CMD24后，卡將發(fā)送給主機(jī)一個(gè)應(yīng)答令牌，并且等待主機(jī)發(fā)送一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)塊來，當(dāng)應(yīng)答R1為0時(shí)，說明可以發(fā)送數(shù)據(jù)，塊大小設(shè)置為512字節(jié)，卡對每個(gè)數(shù)據(jù)塊返回1字節(jié)長的應(yīng)答令牌，當(dāng)其低5位為00101時(shí)，數(shù)據(jù)塊被正確寫入SD卡。數(shù)據(jù)塊之后附有CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)失敗，則所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會被丟掉，數(shù)據(jù)傳輸被終止。

FAT16文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)層向應(yīng)用層提供了對文件和目錄進(jìn)行操作的API接口函數(shù)。要使寫入SD卡的數(shù)據(jù)在裝有Windows或Linux操作系統(tǒng)的上位機(jī)中得到正確訪問，需要在SD卡上創(chuàng)建它們支持的文件系統(tǒng)，考慮到文件系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的方便性和SD卡的應(yīng)用規(guī)模，選擇了建立FAT16文件系統(tǒng)。

FAT16文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)由4部分組成：系統(tǒng)記錄區(qū)(System Record Region)，F(xiàn)AT表區(qū)(FAT Region)，文件登記表區(qū)(File Register Table Region)，數(shù)據(jù)區(qū)(Data Region)。

1. 系統(tǒng)記錄區(qū)通常包含4塊內(nèi)容：BIOS參數(shù)記錄塊BPB(BIOS Parameter Block)，磁盤標(biāo)志記錄表，分區(qū)引導(dǎo)記錄代碼區(qū)和結(jié)束標(biāo)志0x55AA。BPB表從扇區(qū)字節(jié)位移0x0b開始,占25字節(jié)。

2. FAT16的文件系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。文件在磁盤上以簇為單位存儲,但是同一個(gè)文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲中簇與簇之間連接信息的，這就是文件的鏈?zhǔn)酱鎯?。FAT16文件系統(tǒng)采用16位字長的分配表，最多可以管理216個(gè)基本存儲單元。

3. 文件目錄表FDT固定占32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以容納16個(gè)登記項(xiàng)，每個(gè)登記項(xiàng)長32字節(jié)，記錄了每個(gè)文件的代號、長度、屬性、目錄、生成和最后修改的時(shí)間以及文件的存儲鏈在文件分配表中的入口。

4. 數(shù)據(jù)區(qū)用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分磁盤空間，本系統(tǒng)定義其1塊為512字節(jié)。

FAT16文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

FAT16文件系統(tǒng)向應(yīng)用層提供的接口有：FormatFAT16()，將卡格式化為FAT16文件系統(tǒng)格式；FreeCluster()，查找自由簇；CreateFile()，創(chuàng)建文件；OpenFile()，打開文件；WriteFile()，寫文件；ReadFile()，讀文件；CloseFile()，關(guān)閉打開文件；DelFile()，刪除文件。其中創(chuàng)建、讀寫和刪除文件是應(yīng)用程序使用的主要函數(shù)接口，下面對其詳細(xì)介紹。

1.文件的創(chuàng)建
在SD卡上創(chuàng)建文件或目錄的過程就是在文件目錄表FDT中申請登記項(xiàng)的過程，流程圖如圖4所示。登記項(xiàng)中包括文件名、文件長度和起始簇號等內(nèi)容。

2.文件的讀/寫
SD卡上文件都是以簇為單位存取的。讀SD卡上的文件，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項(xiàng)，根據(jù)目錄登記項(xiàng)中的起始簇號既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)中第1簇的內(nèi)容，又可在FAT表中找到第2個(gè)簇號，根據(jù)第2個(gè)簇號又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT 表中的第3個(gè)簇號，以此類推，可讀取到全部文件數(shù)據(jù)。向SD卡寫文件，要保證FAT1和FAT2中內(nèi)容的一致性，即對兩塊都要進(jìn)行同樣的寫操作。

3.文件的刪除
刪除文件時(shí)，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項(xiàng)上作一個(gè)刪除標(biāo)記，并把文件在FAT表中所占用的簇標(biāo)記為“空簇”。

應(yīng)用程序?qū)?/p>

該層直接使用文件系統(tǒng)層的接口API函數(shù)完成對檢測到數(shù)據(jù)的操作，而不需要考慮使用函數(shù)的細(xì)節(jié)問題以及底層硬件的相關(guān)問題。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)作為汽車性能記錄議的數(shù)據(jù)存儲部分，采用大容量、小體積、性價(jià)比高的存儲介質(zhì)SD卡來存儲長時(shí)間段的檢測數(shù)據(jù)，裁減了FAT16實(shí)現(xiàn)了嵌入式文件系統(tǒng)，上位機(jī)可方便的對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和備份。該嵌入式文件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)使得只需對底層驅(qū)動進(jìn)行簡單修改就可移植到CF卡、閃存等其它的存儲介質(zhì)上。■