μC/FS嵌入式文件系統(tǒng)移植研究

司瑩瑩 曹高芳

摘要： 介紹了μC/FS嵌入式文件系統(tǒng)的主要功能，著重說明了μC/FS的移植步驟，實(shí)現(xiàn)了μC/FS在SD上的移植。測(cè)試結(jié)果表明，基于SD卡的μC/FS文件系統(tǒng)移植在采集系統(tǒng)中的應(yīng)用滿足了設(shè)計(jì)要求，并具有良好的性能。

關(guān)鍵詞： 嵌入式文件系統(tǒng)； μC/FS； 移植

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1006-8228(2012)05-03-03

Research and application of μC/FS embedded file system migration

Si Yingying, Cao Gaofang

（Binzhou Medical University，Yantai, Shandong 264003, China）

Abstract： The main function and feature of μC/FS embedded file system is described, highlights steps of μC/FS migration is illustrated. It is realized that μC/FS is migrated to SD card. The results of test show that the application of μC/FS file system migration based on SD card can meet the design of requirements and have good performance.

Key words： embedded file system； μC/FS； migration

0 引言

進(jìn)入后PC技術(shù)時(shí)代，嵌入式操作系統(tǒng)成為最受關(guān)注的技術(shù)之一。在嵌入式操作系統(tǒng)中，文件管理系統(tǒng)的地位顯得非常重要。目前通用的操作系統(tǒng)上有很多成熟的文件系統(tǒng)，如DOS/Windows9X下的FAT16/32文件系統(tǒng)、WindowsNT/2K/XP下的NTFS文件系統(tǒng)和UNIX文件系統(tǒng)等，但這些通用文件系統(tǒng)并不適合直接應(yīng)用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。主要原因有兩點(diǎn)：一是通用文件系統(tǒng)采用緩存技術(shù)提高文件系統(tǒng)的速度特性，要耗費(fèi)大量的系統(tǒng)資源；二是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)電源的突發(fā)性斷電會(huì)對(duì)存儲(chǔ)造成很大影響，通用文件系統(tǒng)對(duì)此欠考慮[1]。

嵌入式文件系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，主要提供文件存儲(chǔ)、檢索和更新等功能，一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。它以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要包括設(shè)置、修改對(duì)文件和目錄的存取權(quán)限，提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)，提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)[2]。嵌入式文件系統(tǒng)能夠以較短的時(shí)間實(shí)時(shí)響應(yīng)，對(duì)文件的操作允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)打開文件并進(jìn)行讀操作，具有可裁剪、可配置、支持多種存儲(chǔ)設(shè)備和開放的體系架構(gòu)等性能。其中μC/FS嵌入式文件系統(tǒng)以其源碼開放、價(jià)格低廉、兼容性等特點(diǎn)日漸受到重視。

1 μC/FS文件系統(tǒng)

μC/FS是Micrium公司開發(fā)的一個(gè)嵌入式文件系統(tǒng)，可以應(yīng)用于多種存儲(chǔ)介質(zhì)，并為它們提供了基本硬件接口函數(shù)。μC/FS嵌入式文件系統(tǒng)是一個(gè)高性能的函數(shù)庫，能夠在速度、多功能性和內(nèi)存占用上進(jìn)行優(yōu)化。它的優(yōu)點(diǎn)是：采用模塊化結(jié)構(gòu)，可讀性強(qiáng)；支持標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，可移植性高；符合FAT標(biāo)準(zhǔn)，支持FAT格式文件，可應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)范圍廣。μC/FS的源代碼用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，幾乎可以應(yīng)用于所有處理器[3]。其主要功能如下。

⑴ 支持與MS-DOS/MS Windows兼容的FAT12、FAT16和FAT32文件系統(tǒng)。

⑵ 支持中文長文件名的FAT存儲(chǔ)介質(zhì)。

⑶ 支持多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，允許同一時(shí)間通過文件系統(tǒng)訪問不同類型的硬件。

⑷ 支持多種存儲(chǔ)介質(zhì)，允許同一時(shí)間通過驅(qū)動(dòng)程序訪問不同存儲(chǔ)介質(zhì)。

⑸ 支持操作系統(tǒng)，μC/FS可以移植到任意操作系統(tǒng)，并在多線程條件下使用。

⑹ 支持標(biāo)準(zhǔn)C語言中的stdio.h中類似標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口（API），標(biāo)準(zhǔn)C語言I/O庫中的應(yīng)用程序可以移植到μC/FS中使用。

⑺ 支持簡(jiǎn)單的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，μC/FS驅(qū)動(dòng)程序只需要基本的讀寫塊函數(shù)。

⑻ 支持SmartMediaka和NAND閃存器件的驅(qū)動(dòng)程序，可用于訪問硬件（讀卡器）；支持通用電子集成驅(qū)動(dòng)器（IDE）驅(qū)動(dòng)程序，用于真正IDE或內(nèi)存映射模式的CF卡；支持通用閃存芯片（EEPOM）驅(qū)動(dòng)程序，用于處理不同閃存扇區(qū)大小。

⑼ 支持集成多媒體和SD卡串行外設(shè)接口（SPI）模式。

⑽ 支持專用文件系統(tǒng)（EFS），支持中文長文件名。

μC/FS依據(jù)各層不同的功能劃分組織層次，使得μC/FS結(jié)構(gòu)清晰[4]。API層是μC/FS和用戶應(yīng)用程序的接口，包括一個(gè)與文件函數(shù)例如FS_fopen、FS_fwrite等有關(guān)的ANSIC庫。應(yīng)用程序通過調(diào)用API層所提供的函數(shù)可方便地訪問文件系統(tǒng)層。文件系統(tǒng)層把文件的操作請(qǐng)求傳遞給邏輯塊處理，系統(tǒng)通過這種文件傳遞調(diào)用邏輯塊為設(shè)備制定相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。邏輯塊操作的主要功能是使對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的訪問同步，并為文件系統(tǒng)層提供一個(gè)便捷的接口。邏輯塊層調(diào)用一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行塊操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是訪問硬件設(shè)備的底層程序，它包括基本的I/O函數(shù)，以便訪問硬件設(shè)備和保存指向函數(shù)指針的向量表[5]。

2 μC/FS文件系統(tǒng)的移植步驟

μC/FS的默認(rèn)配置是一個(gè)內(nèi)存磁盤。進(jìn)行μC/FS文件系統(tǒng)移植首先要熟悉工程開發(fā)所需要的工具（如編譯器，工程管理，連接器等），并能夠添加文件、目錄到include搜索路徑；還要熟悉目標(biāo)工程使用的操作系統(tǒng)。將μC/FS移植到一個(gè)工程的進(jìn)程中需經(jīng)以下步驟。

⑴ 創(chuàng)建一個(gè)不包括μC/FS的工程。

⑵ 將μC/FS目錄下的文件添加到工程中，然后驗(yàn)證添加后的運(yùn)行情況。這時(shí)應(yīng)從工程文件下的程序代碼啟動(dòng)（但不包括main.c和start.c應(yīng)用程序）。應(yīng)用程序執(zhí)行過程如下：

(a) mian.c調(diào)用函數(shù)MainTask()，該函數(shù)的主要任務(wù)是完成初始化和添加μC/FS；

(b) 檢查卷標(biāo)是否需要低級(jí)格式化或高級(jí)格式化，并輸出卷標(biāo)名稱；

(c) 調(diào)用函數(shù)FS_GetFreeVolumeSpace()并輸出一個(gè)返回值—可用內(nèi)存磁盤的總空間；

(d) 創(chuàng)建并打開一個(gè)寫訪問設(shè)備的測(cè)試文件，向文件寫入4個(gè)字節(jié)，并關(guān)閉文件句柄或程序輸出一個(gè)錯(cuò)誤信息；

(e) 再次調(diào)用函數(shù)FS_GetFreeVolumeSpace()并得到一個(gè)函數(shù)返回值—可用的RAM磁盤空間；

(f) 程序輸出一個(gè)退出消息并進(jìn)入循環(huán)等待。

⑶ 添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在μC/ FS文件系統(tǒng)配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要完成兩件事情：第一件是添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到工程文件。大多數(shù)驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行需要硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和特定的硬件，驅(qū)動(dòng)訪問硬件的底層I/O函數(shù)和全局表。全局表中存放了I/O函數(shù)的指針。需要硬件驅(qū)動(dòng)程序的有 NAND閃存、多媒體卡（MMC）、SD卡；不需要硬件驅(qū)動(dòng)程序的有NOR閃存、RAM。幾乎所有的驅(qū)動(dòng)程序使用之前都需要配置；配置函數(shù)主要任務(wù)是指定各自驅(qū)動(dòng)配置文件的內(nèi)存地址和內(nèi)存空間。第二件是添加硬件驅(qū)動(dòng)到工程文件。

⑷ 激活驅(qū)動(dòng)程序。添加驅(qū)動(dòng)程序和硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)到工程文件后，復(fù)制config.c文件到μC/FS工程的配置目錄下。配置文件在文件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)揮配置作用，它包含一個(gè)能快速、簡(jiǎn)易啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序。其中最重要的啟動(dòng)函數(shù)是FS_X_AddDevices()，它是激活和配置啟動(dòng)函數(shù)，不需要硬件驅(qū)動(dòng)，必須在使用之前配置。

⑸ 調(diào)整內(nèi)存空間。文件系統(tǒng)在很多地方由于管理的目的需要使用內(nèi)存，內(nèi)存空間取決于配置文件尤其是驅(qū)動(dòng)的使用情況，通常硬盤、CF卡或SD卡驅(qū)動(dòng)要比簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)管理需要更多內(nèi)存空間。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都需要分配內(nèi)存空間。文件系統(tǒng)在初始化階段分配到內(nèi)存，在運(yùn)行過程中會(huì)一直占用分配到的空間。宏ALLOC_SIZE就是在文件系統(tǒng)中用來根據(jù)各自驅(qū)動(dòng)配置函數(shù)指定內(nèi)存空間的。

3 μC/FS文件系統(tǒng)在SD卡上的移植應(yīng)用

SD卡（Secure Digital Memory Card）即安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，被廣泛使用在便攜式裝置上，如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理（PDA）和多媒體播放器等。SD卡擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的靈活性和很好的安全性[6]。SD卡的通信基于一個(gè)9引腳接口（時(shí)鐘、命令、4根數(shù)據(jù)線、3根電源和地線），可以在最高25MHz頻率和低電壓范圍工作，不需要額外的電源來保持其上的記憶信息。SD卡主機(jī)接口支持MMC標(biāo)準(zhǔn)[7]。

SD卡的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

[

SD卡

安全

規(guī)范

][音頻規(guī)范][其他應(yīng)用規(guī)范] [文件系統(tǒng)規(guī)范][SD卡物理層規(guī)范]

圖1SD卡協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

其中，音頻規(guī)范和其他應(yīng)用規(guī)范闡述音頻應(yīng)用的規(guī)范和實(shí)現(xiàn)要求；SD卡文件系統(tǒng)規(guī)范闡述保存在SD卡中的文件結(jié)構(gòu)格式要求；SD卡安全規(guī)范闡述版權(quán)保護(hù)機(jī)制以及所支持的應(yīng)用專用命令；SD卡物理層規(guī)范闡述SD卡使用的物理接口和命令協(xié)議[8]。

3.1 μC/FS在SD卡的移植

μC/FS文件系統(tǒng)支持SD卡，但不包含SD卡驅(qū)動(dòng)，用戶須提供SD卡設(shè)備邏輯層以下的驅(qū)動(dòng)文件。μC/FS支持以SPI模式訪問SD卡，用戶必須提供基本的I/O功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)卡的訪問。

μC/FS文件系統(tǒng)的移植需要對(duì)所支持的設(shè)備類型、操作系統(tǒng)、塊的大小等項(xiàng)加以配置，因此需要定義頭文件FS_Conf.h下的FS_OS值為1，并配置函數(shù)FS_X_OS_Init、FS_X_OS_Unlock、FS_X_OS_Lock。μC/FS移植的關(guān)鍵是添加SD驅(qū)動(dòng)，添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用FS_AddDevice()，其代碼如下：

FS_AddDevice(&FS_MMC_SPI_Driver);

const FS_device_type

FS_MMC_SPI_Driver

{"SD device",

FS_SD_DevGetStatus,

FS_SD_ReadBlock,

FS_SD_WriteBlock,

FS_SD_DevIoCtl

}；

其中FS_device_type是一個(gè)設(shè)備類型，定義為結(jié)構(gòu)體：

{Static int _DevGetName (U8 Unit)；

Static int _DevGetStatus (U8 Unit)；

Static int _DevRead (U8 Unit, U32 Sector, void *pBuffer)；

Static int _DevWrite (U8 Unit, U32 Sector, void *pBuffer)；

Static int _DevIoCtl (U8 Unit, I32 Cmd, I32 Aux,void

*pBuffer)；

} FS_device_type

結(jié)構(gòu)體成員由設(shè)備名、設(shè)備狀態(tài)返回函數(shù)、讀函數(shù)、寫函數(shù)、控制函數(shù)組成。上述代碼的功能是把設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加到設(shè)備驅(qū)動(dòng)表里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)表向文件系統(tǒng)上層注冊(cè)以備調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。經(jīng)過此步驟后文件系統(tǒng)可以通過其中的FS_SD_ReadBlock和FS_SD_WriteBlock調(diào)用SD卡驅(qū)動(dòng)程序的讀寫函數(shù)。

3.2 SD卡驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試

在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，SD卡芯片支持庫提供的對(duì)設(shè)備訪問和控制的函數(shù)只能一次讀寫512字節(jié)的數(shù)據(jù)，這極大地降低了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速度。為了提高寫SD卡的讀寫速度，我們更改了μC/FS中FS_fat_fwrite函數(shù)，使得文件系統(tǒng)在寫大于512KB的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)全部寫入緩沖區(qū)后才調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的寫函數(shù)FS_SD_WriteBlock。

實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)源發(fā)送頻率為500Hz、峰值為5V連續(xù)正弦波，采集時(shí)間為100秒；存儲(chǔ)到SD卡中的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過讀卡器顯示的數(shù)據(jù)文件為7937KB；四通道數(shù)據(jù)采集，每通道采樣率為10kHz，A/D為16位。因此數(shù)據(jù)文件大小約為4×10×16×100/8=8MB，與實(shí)際采集數(shù)據(jù)量基本一致，系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能正常。

SD卡中數(shù)據(jù)文件通過Matlab讀出的波形數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2讀SD卡數(shù)據(jù)波形截圖

由圖中可以看出四通道信號(hào)的每個(gè)周期由20個(gè)采樣點(diǎn)組成，與每通道信號(hào)采樣率10kHz相符。實(shí)際選用的SD卡的寫速度是1.5MB/S，SD卡在測(cè)試中寫速度約為187KB/S。如果使用高速SD卡，系統(tǒng)的讀寫速度將會(huì)得到顯著提高。

4 結(jié)束語

μC/FS文件系統(tǒng)在SD卡的移植，適合在對(duì)讀寫速度要求不是很高但對(duì)存儲(chǔ)容量和便攜性要求較高的場(chǎng)合使用。μC/FS文件系統(tǒng)移植操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于大多數(shù)常見存儲(chǔ)介質(zhì)，如磁盤、閃存等。如果將μC/FS文件系統(tǒng)的移植推廣到其他存儲(chǔ)介質(zhì)，僅需要更改文件系統(tǒng)初始化函數(shù)FS_Init()、文件系統(tǒng)配置函數(shù)FS_AddDevice()、文件系統(tǒng)訪問函數(shù)FS_Read()和FS_Write()即可。

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