基于MCF51QE128的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式設(shè)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(yīng)用的一個(gè)必然趨勢(shì)。本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器和SD卡，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入探討了FATl6文件系統(tǒng)及其存儲(chǔ)原則，實(shí)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(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路。SD卡因?yàn)槠潴w積小、功耗低、容量大且成本低，目前被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本文針對(duì)此類應(yīng)用，通過實(shí)測(cè)512MB SD卡數(shù)據(jù)，以實(shí)例的形式深入解析了FATl6文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)原則，并給出了實(shí)現(xiàn)方案。

1 FATl6文件系統(tǒng)
    SD卡格式化為FAT文件系統(tǒng)時(shí)，一般只采用1個(gè)分區(qū)，以便于存儲(chǔ)空間的管理。FATl6主要由圖1所示的6個(gè)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(dǎo)記錄
    MBR(Master Boot Record，主引導(dǎo)記錄)總是位于存儲(chǔ)卡的起始位置，即扇區(qū)O。圖2是主引導(dǎo)記錄的詳細(xì)信息。由于只有1個(gè)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(duì)起始扇區(qū)，即第1分區(qū)引導(dǎo)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(gè)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(dǎo)記錄位于SD卡的第0xE9個(gè)扇區(qū)。

1．2 分區(qū)引導(dǎo)記錄
    分區(qū)BR(Boot Record，引導(dǎo)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(shè)備制造商)，BPB(BIOs Parameter Block，BIOS參數(shù)塊)，擴(kuò)展BPB，引導(dǎo)代碼和結(jié)束標(biāo)志(Ox55 AA)組成。圖3重點(diǎn)列出了分區(qū)引導(dǎo)記錄中BPB的各項(xiàng)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)文件的存儲(chǔ)管理。FAT表記錄了數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)鏈表，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取極為重要，通常都會(huì)有一個(gè)或多個(gè)備份。這里，F(xiàn)AT2就是對(duì)FATl的備份，必須隨著FATl即時(shí)同步更新。根目錄一般以32字節(jié)為單位來(lái)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(chǔ)空間，一般以簇為單位，簇的大小通常是2的，n次冪個(gè)扇區(qū)。FAT格式化后，簇的大小就確定下來(lái)了，可通過讀取分區(qū)引導(dǎo)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(gè)簇占16個(gè)扇區(qū)。
    如果將SD卡的存儲(chǔ)空間想象成一本書，那么要閱讀一篇文章，首先應(yīng)該打開目錄找到文章的頁(yè)碼，然后根據(jù)頁(yè)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(hào)類似于書的頁(yè)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(chǔ)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(hào)，好比知道了文章的頁(yè)碼。但文件的存儲(chǔ)和書不同，書的內(nèi)容一般是連續(xù)的，而文件在存儲(chǔ)后是可以隨意修改的(例如添加或刪除)，因而在存儲(chǔ)空間上可能不連續(xù)，這樣就無(wú)法僅通過開始簇號(hào)找到整個(gè)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(biāo)志，以2字節(jié)為單位存放文件簇號(hào)。FAT表實(shí)質(zhì)是一個(gè)二維鏈表，如圖4所示。

    FAT表上面的數(shù)字是這2個(gè)字節(jié)在表中的位置序號(hào)，同時(shí)也代表文件的簇號(hào)，與數(shù)據(jù)區(qū)的簇號(hào)對(duì)應(yīng)，類似目錄的頁(yè)碼。通常SD卡上第一個(gè)文件的開始簇號(hào)為2。若文件長(zhǎng)度小于1簇，則其開始簇號(hào)所對(duì)應(yīng)的2字節(jié)值為FFFF。若文件長(zhǎng)度大于1簇，則其開始簇號(hào)所對(duì)應(yīng)2字節(jié)中存放的是文件所在的下一個(gè)簇號(hào)，由所得簇號(hào)再查找其對(duì)應(yīng)的2字節(jié)，可找到文件接下來(lái)的簇號(hào)。依此類推，直到最后所得簇號(hào)對(duì)應(yīng)的2字節(jié)值為FFFF，即為文件的結(jié)束簇號(hào)。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(chǔ)簇號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的管理。

2 FATl6文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)了MCF51QEl28微控制器和SD卡的硬件接口和底層通信，具體細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)。
2．1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    為了便于對(duì)主引導(dǎo)記錄、分區(qū)引導(dǎo)記錄、FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)中的相關(guān)信息進(jìn)行記錄和處理，定義了FATl6_t和FILE_t兩個(gè)結(jié)構(gòu)體類型。數(shù)據(jù)類型byte、word和dword分別對(duì)應(yīng)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(dǎo)記錄和第1分區(qū)引導(dǎo)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(gè)文件項(xiàng)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(dǎo)記錄和第1分區(qū)引導(dǎo)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(yù)編譯函數(shù)from_BE_32和from_BE_16分別實(shí)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(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)讀入的文件名查找根目錄，若有匹配項(xiàng)則打開文件，否則創(chuàng)建一個(gè)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(xiàng)匹配，從根目錄的第1個(gè)扇區(qū)開始讀扇區(qū)。

     根據(jù)文件起始簇號(hào)和根目錄的記錄項(xiàng)號(hào)，計(jì)算文件FAT表、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)的相關(guān)信息。對(duì)于根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)的信息，已有文件和新文件的計(jì)算一致。如果是新文件，還需修改FAT表和根目錄記錄項(xiàng)。
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(chǔ)上，以扇區(qū)為單位讀寫文件，可連續(xù)讀寫多個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)，同時(shí)寫入文件的屬性、日期和時(shí)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(shè)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(jìn)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?cái)?shù)均為0，文件結(jié)束簇、寫簇號(hào)不變，不需要修改FAT表，僅修改根目錄中的文件長(zhǎng)度。否則，需要計(jì)算新寫入扇區(qū)數(shù)和簇?cái)?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(xiàng)。最后，將數(shù)據(jù)寫入文件數(shù)據(jù)區(qū)。

結(jié)語(yǔ)
    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(chǔ)原則，給出了實(shí)現(xiàn)方案。軟件算法上，對(duì)單扇區(qū)數(shù)據(jù)讀寫進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)多個(gè)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(chǔ)。隨著SD卡的快速流行，在此類存儲(chǔ)設(shè)備中引入文件系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用。