基于ARM 9和μC/OS-II的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 浩，郭蘭英，惠 飛，賀春峰

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著嵌入式式技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM處理器憑借其高性能、廉價(jià)、耗能低的優(yōu)質(zhì)特性而得到廣泛應(yīng)用。文中主要針對貨車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實(shí)時(shí)載重?cái)?shù)據(jù)存取的需求，在ARM9嵌入式處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存取速率高、易維護(hù)，易移植等特點(diǎn)。

1 硬件接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)處理器為S3C2440A，是三星公司推出的16/32位RISC微處理器[1]，ARM920T內(nèi)核，主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，內(nèi)部具有豐富的系統(tǒng)外圍控制器和多種通信接口。SD卡支持SPI和SD兩種通信模式，S3C2440A具有SD卡接口，支持SD總線模式，所以不再像低端的ARM處理器那樣采用SPI模式，而是采用SD總線模式，這樣可以大大提高SD卡的讀寫速度。S3C2440A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 S3C2440A的 SDDATA0～SDDATA3、SDCLK和SDCMD引腳。SD卡支持單線和寬總線的數(shù)據(jù)傳輸，寬總線數(shù)據(jù)一次傳4位，數(shù)度更快，因此，此設(shè)計(jì)采用寬總線方式。

2 SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

μC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)小型的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用可剝離式內(nèi)核實(shí)施任務(wù)調(diào)度，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，而且每個(gè)任務(wù)具有唯一的優(yōu)先級，能夠保證就續(xù)表中任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。μC/OS-II大部分代碼是用移植性很高的C語言編寫的，只極少部分與處理器密切相關(guān)的部分代碼用匯編語言編寫[2]，因此只需要做很少的工作就可以很方便地將它移植到各種不同構(gòu)架的微處理器上。

為了增強(qiáng)軟件的可移植性，易維護(hù)性，程序設(shè)計(jì)時(shí)采用層次化，模塊化設(shè)計(jì)。模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示，除了用來進(jìn)行管理的操作系統(tǒng)外，共分為4個(gè)模塊，包括SD卡底層驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)，API接口，用戶應(yīng)用程序。底層驅(qū)動(dòng)完成SD卡初始化，以及實(shí)質(zhì)上的讀寫功能；文件系統(tǒng)采用PC機(jī)普遍支持的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范來設(shè)計(jì)，完成文件的創(chuàng)建，讀寫，刪除功能；API接口封裝文件系統(tǒng)提供的函數(shù)，供上層應(yīng)用使用；用戶應(yīng)用程序通過調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)，完成相應(yīng)的功能。各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)下面會(huì)做以說明。

2.1 底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 SD卡初始化

圖1 SD卡接口電路Fig.1 SD card interface circuit

圖2 SD卡文件系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)Fig.2 Modular structure of SD kard file system

SD卡讀寫操作都是基于命令的，通過向SD卡發(fā)送命令并讀取命令的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對SD卡的控制。在SD卡讀寫之前，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保SD卡能進(jìn)行正常數(shù)據(jù)讀寫的前提，SD卡初始化完成了SD卡上電，確認(rèn)，設(shè)置邏輯地址，使其進(jìn)入傳輸狀態(tài)以及設(shè)置總線帶寬幾大主要工作。需要注意的是，在發(fā)送使SD卡空閑命令CMD0之前至少等待74個(gè)時(shí)鐘，確保SD卡進(jìn)入SD總線模式。SD卡初始化代碼編寫如下：

U8 SD_Init（void）

{

U32 i；

rGPECON|=0xaaaaa800； /*設(shè)置 GPE5～10為SD卡功能*/

rSDIPRE=PCLK/（SD_BAUD_RATE） －1； /*SD 接口波特率為500 kh

rSDICON= （1＜＜4）|1； /*SD 類型， 時(shí)鐘使能 */

rSDIFSTA=rSDIFSTA|（1＜＜16）； /*FIFO 復(fù)位 */

for（i=0；i＜0x1000；i++）； /* 等待 74 個(gè) SDCLK*/

CMD0（）； /*先執(zhí)行CMD0命令，使卡進(jìn)入idel狀態(tài)*/

Check_SD_OCR（）； /*檢測SD卡是否準(zhǔn)備好*/

Read_Card_CID （SDCard_Info－＞CardCID）； /*獲取 SD卡的CID*/

Set_Card_RCA （0，&SDCard_Info－＞CardRCA） /* 設(shè)置RCA卡邏輯地址*/

/*CSD卡特性寄存器*/

Read_Card_CSD （SDCard_Info －＞CardRCA，SDCard_Info－＞CardCSD）；

/*選中卡入傳輸狀態(tài)*/

Select_or_Deselect_Card（1，SDCard_Info－＞CardRCA）；

/*設(shè)置總線帶寬*/

Set_DataBus_Width（SDCard_Info－＞CardType，1，SDCard_Info－＞CardRCA）；

return 1；

}

2.1.2 SD卡讀寫實(shí)現(xiàn)

初始化完戚之后，就可對SD卡進(jìn)行讀寫操作，通過設(shè)置SDI數(shù)據(jù)控制寄存器SDIDCON來確定SD卡的讀寫長度，讀操作時(shí)數(shù)據(jù)長度作沒有明確限制，寫操作時(shí)，每次寫的長度必須為BLOCK的倍數(shù)。SD卡的讀寫可以一次性讀寫單塊數(shù)據(jù)，也可以一次性讀寫多塊數(shù)據(jù)，多塊數(shù)據(jù)的讀寫結(jié)束時(shí)，要發(fā)送CMD12結(jié)束指令。主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)：Write_Card_Block（）－寫入單塊數(shù)據(jù)；Write_Card_Data（）－寫入多塊數(shù)據(jù)；Read_Card_Block（）－讀多塊數(shù)據(jù)；Read_Card_Data（）－讀多塊數(shù)據(jù)。

2.2 文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 FAT32文件系統(tǒng)概述

Windows95 OSR2和Windows 98開始支持FAT32文件系統(tǒng)，它是對早期DOS的FAT文件系統(tǒng)的增強(qiáng)，由于文件系統(tǒng)的核心－－文件分配表FAT擴(kuò)充為32位，所以稱為FAT32文件系統(tǒng)。FAT32包含DBR、保留扇區(qū)、FAT1、FAT2（第一個(gè)FAT的備份）、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)5部分。DBR（Dos Boot Record）是操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)；保留扇區(qū)是為了對DBR作備份或留待以后升級時(shí)用；文件分配表區(qū)共保存了兩個(gè)相同的FAT表，文件所占用的存儲(chǔ)空間（簇鏈）及空閑空間的管理都是通過FAT實(shí)現(xiàn)的；FAT32根目錄區(qū) （ROOT區(qū)）不再是固定區(qū)域、固定大小，可看作是數(shù)據(jù)區(qū)的一部分；數(shù)據(jù)區(qū)用來存放真正要記錄的文件數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)定義的一簇為4K個(gè)字節(jié)。

2.2.2 文件系統(tǒng)初始化

文件系統(tǒng)初始主要是讀取SD卡的DBR扇區(qū) （0扇區(qū)），并分析該扇區(qū)內(nèi)容，從而獲取每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT開始扇區(qū)號(hào)，根目錄開始扇區(qū)號(hào)等關(guān)鍵信息，為文件的創(chuàng)建，讀寫等操作做準(zhǔn)備，文件系統(tǒng)初始化函數(shù)代碼如下：

void FAT32_Init（void）

{

FAT32_BPB*bpb；

FAT32_Read_Card_Sector （0，32*）FAT32_Buffer）；/*DBR所在扇區(qū)*/

/*數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針轉(zhuǎn)為FAT32_BPB型指針*/

bpb=（FAT32_BPB*）（FAT32_Buffer）；

Disk_Info －＞SectorsPerClust=（bpb －＞BPB_SecCntPerClust[0]）；/*每簇扇區(qū)數(shù) */

/*每扇區(qū)字節(jié)數(shù)*/

Disk_Info－＞BytesPerSector=（bpb－＞BPB_BytesPerSec[1]＜＜8）|（bpb－＞BPB_BytesPerSec[0]）；

*第一個(gè)FAT表扇區(qū)號(hào)，F(xiàn)AT表開始位置*/

Disk_Info －＞FirstFATSector=（Disk_Info －＞RsvdSecCnt） +Disk_Info－＞BPBSectorNum；

/*FAT表占用的扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT表大小*/

Disk_Info－＞FATSecCnt=（bpb－＞BPB_SecCntPerFAT[3]＜＜24）|

（bpb－＞BPB_SecCntPerFAT[2]＜＜16）|

（bpb－＞BPB_SecCntPerFAT[1]＜＜8）|

（bpb－＞BPB_SecCntPerFAT[0]＜＜0）；

/*根目錄簇號(hào)*/

Disk_Info－＞FirstDirClust=（bpb－＞BPB_RootDirClust[3]＜＜24）|

（bpb－＞BPB_RootDirClust[2]＜＜16）|

（bpb－＞BPB_RootDirClust[1]＜＜8）|

（bpb－＞BPB_RootDirClust[0]＜＜0）；

/*磁盤的總扇區(qū)數(shù)*/

Disk_Info－＞TotalSecCnt=（bpb－＞BPB_TotalSec32[3]＜＜24）|

（bpb－＞BPB_TotalSec32[2]＜＜16）|

（bpb－＞BPB_TotalSec32[1]＜＜8）|

（bpb－＞BPB_TotalSec32[0]＜＜0）；

/*磁盤的總?cè)萘?，以字節(jié)為單位*/

Disk_Info －＞DiskTotalSize=（Disk_Info －＞TotalSecCnt）*

（Disk_Info－＞BytesPerSector）；

}

2.2.3 文件創(chuàng)建

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，為此程序設(shè)計(jì)時(shí)定義了如下結(jié)構(gòu)體：typedef struct fat32_directory

{

char File_Name[8]； //文件名，不足部分以空格補(bǔ)充

char File_Extension[3]； //擴(kuò)展名，不足部分以空格補(bǔ)充

U8 File_Attributes； //文件屬性

U8 File_LowerCase； //0，保留給 window NT 使用

U8 File_CHundredth； //世紀(jì)

U8 File_CrtTime[2]； //創(chuàng)建時(shí)間

U8 File_CrtDate[2]； //創(chuàng)建日期

U8 File_ALastAccDate[2]； //最后訪問日期

U8 File_FstClustHI[2]； //該文件開始簇號(hào)的高位字

U8 File_WrtTime[2]； //上次更新時(shí)間

U8 File_WrtDate[2]； //上次更新改日期

U8 File_FstClustLO[2]； //該文件開始簇號(hào)的低字位

U8 File_FileSize[4]； //文件大小

}FAT32_DIRECTORY；

在文件目錄項(xiàng)FDT中申請登記項(xiàng)動(dòng)作就是通過對上述結(jié)構(gòu)體的操做來完成的，操作流程，也是文件創(chuàng)建流程如圖3所示，當(dāng)把SD卡插入卡插槽時(shí)，系統(tǒng)首先初始化SD卡，即讀取SD卡的DBR扇區(qū)（0扇區(qū)）獲取相關(guān)信息，接下來打開所要?jiǎng)?chuàng)建文件的路徑，如果路徑不存在，創(chuàng)建該路徑，如果存在，搜尋FAT表，找空閑簇。再接下來把要?jiǎng)?chuàng)建的文件的相關(guān)信息（文件名，文件大小，創(chuàng)建時(shí)間，屬性等）填入上述結(jié)構(gòu)體，把該結(jié)構(gòu)體寫入文件目錄項(xiàng)FDT，相應(yīng)的扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)，最后更新FAT鏈表。文件創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)函數(shù)為FAT32_Creat_File（）。

2.2.4 文件讀寫

文件系統(tǒng)對SD卡上文件的管理都是以簇為單位進(jìn)行的。要讀文件，就要首先找到文件，查找文件就是把文件名和文件目錄項(xiàng)FDT中的文件名匹配。如果匹配不成功，說明該文件不存，此時(shí)就可以利用函數(shù)FAT32_Creat_File（）創(chuàng)建。如果匹配成功讀就找到了該文件，在匹配成功的那個(gè)目錄登記項(xiàng)中找到該文件的起始簇號(hào)，知道了該起始簇號(hào)，就可以根據(jù)FAT表中的簇鏈關(guān)系找到到第2簇，第3簇，直到最后一簇文件結(jié)束。寫文件時(shí)，由于FAT2是FAT1的備份，要保證兩者的一致性，就要對它們做同樣的寫操作。主要的函數(shù)有：FAT32_Open_File（）－打開文件；FAT32_Read_File（）－讀文件；FAT32_Write_File（）-寫文件；FAT32_Close_File（）-關(guān)閉文件。

2.2.5 文件刪除

FAT32文件系統(tǒng)中所謂的刪除實(shí)際上只是把文件名稱的第一個(gè)字母改成一個(gè)特殊字符（在文件目錄登記項(xiàng)上做一個(gè)刪除標(biāo)記），把文件在FAT表中占用的簇標(biāo)記為空簇，但文件包含的數(shù)據(jù)仍在磁盤上，下次將新的文件保存到磁盤時(shí)，這些簇可能被新的文件使用，從而覆蓋原來的數(shù)據(jù)。因此，只要不保存新的文件，被刪除文件的數(shù)據(jù)實(shí)際上仍舊完整無缺地保存在磁盤上。文件刪除函數(shù)為：FAT32_DeleteFile（）。

2.3 API接口設(shè)計(jì)

API接口模塊要是向用戶應(yīng)用程序提供文件的創(chuàng)建讀寫刪除功能，該模塊通過調(diào)用文件系統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。主要的借口函數(shù)有：OS_CreateFile（）-創(chuàng)建文件；OS_OpenFile（）-打開文件；OS_WriteFile（）-文件寫入數(shù)據(jù)；OS_WriteFile（）-讀文件數(shù)據(jù)；OS_CloseFile （）-關(guān)閉文件；OS_DeleteFile-刪除文件。

2.4 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

該模塊通過直接運(yùn)用文件系統(tǒng)提供的API接口函數(shù)完成對稱重?cái)?shù)據(jù)信息的操作，只需要對μC/OS-II操作系統(tǒng)直接負(fù)責(zé)，并不需要考慮文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)問題以及底層硬件驅(qū)動(dòng)問題。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)作為貨車車載動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，采用容量大、體積小、性價(jià)比高的存儲(chǔ)介質(zhì)SD卡來存儲(chǔ)長時(shí)間段的測量數(shù)據(jù)，對FAT32進(jìn)行了裁剪，并結(jié)合SD卡的底層的讀寫程序，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式SD卡文件系統(tǒng)，這樣就能很方便通過上位機(jī)對SD卡記錄貨車稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢，綜合分析以及備份。同時(shí)該方法為其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲(chǔ)器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式記錄到SD卡上，便于文件的統(tǒng)一管理。

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