基于ARM9和μC／OS-II的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：主要針對貨車動態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實時載重數(shù)據(jù)存取的需求而做的設(shè)計。該設(shè)計基于ARM9和μC／OS-II相結(jié)合的軟硬件平臺，實現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng)。SD卡的接口電路采用SD總線模式連接，軟件設(shè)計基于嵌入式操作系μC／OS-II，文件系統(tǒng)的實現(xiàn)參照FAT32規(guī)范。實際應(yīng)用表明，該設(shè)計能夠滿足大量數(shù)據(jù)的存取效率以及文件管理的技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：ARM9；SD卡文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存取，μC／OS-II；文件管理

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、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態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實時載重數(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)計實現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時性強、存取速率高、易維護，易移植等特點。

1 硬件接口電路設(shè)計
本系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺處理器為S3C2440A，是三星公司推出的16／32位RISC微處理器，ARM920T內(nèi)核，主頻400 MHz，最高可達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)計采用寬總線方式。

2 SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
μC／OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實時多任務(wù)小型的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用可剝離式內(nèi)核實施任務(wù)調(diào)度，實時性很強，而且每個任務(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，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。

為了增強軟件的可移植性，易維護性，程序設(shè)計時采用層次化，模塊化設(shè)計。模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示，除了用來進行管理的操作系統(tǒng)外，共分為4個模塊，包括SD卡底層驅(qū)動，文件系統(tǒng)，API接口，用戶應(yīng)用程序。底層驅(qū)動完成SD卡初始化，以及實質(zhì)上的讀寫功能；文件系統(tǒng)采用PC機普遍支持的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范來設(shè)計，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。各個模塊的具體實現(xiàn)下面會做以說明。
2．1 底層驅(qū)動設(shè)計
2．1．1 SD卡初始化
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)來實現(xiàn)對SD卡的控制。在SD卡讀寫之前，首先要進行初始化操作。這是確保SD卡能進行正常數(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個時鐘，確保SD卡進入SD總線模式。SD卡初始化代碼編寫如下：


2．1．2 SD卡讀寫實現(xiàn)
初始化完戚之后，就可對SD卡進行讀寫操作，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，讀操作時數(shù)據(jù)長度作沒有明確限制，寫操作時，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，要發(fā)送CMD12結(jié)束指令。主要實現(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
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，由于文件系統(tǒng)的核心一文件分配表FAT擴充為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FAT的備份)、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)5部分。DBR(Dos Boot Rec ord)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用；文件分配表區(qū)共保存了兩個相同的FAT表，文件所占用的存儲空間(簇鏈)及空閑空間的管理都是通過FAT實現(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，根目錄開始扇區(qū)號等關(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：

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中申請登記項的過程，為此程序設(shè)計時定義了如下結(jié)構(gòu)體：


在文件目錄項FDT中申請登記項動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，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，接下來打開所要創(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。再接下來把要創(chuàng)建的文件的相關(guān)信息(文件名，文件大小，創(chuàng)建時間，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FDT中的文件名匹配。如果匹配不成功，說明該文件不存，此時就可以利用函數(shù)FAT32_Creat_Flie()創(chuàng)建。如果匹配成功讀就找到了該文件，在匹配成功的那個目錄登記項中找到該文件的起始簇號，知道了該起始簇號，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，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)中所謂的刪除實際上只是把文件名稱的第一個字母改成一個特殊字符(在文件目錄登記項上做一個刪除標(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，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
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
該模塊通過直接運用文件系統(tǒng)提供的API接口函數(shù)完成對稱重數(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)的具體實現(xiàn)問題以及底層硬件驅(qū)動問題。

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