基于ARM和SD卡的嵌入式文件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊返回1字節(jié)長(zhǎng)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(huì)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(duì)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(chǔ),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(huì)分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲(chǔ)中簇與簇之間連接信息的，這就是文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。FAT16文件系統(tǒng)采用16位字長(zhǎng)的分配表，最多可以管理216個(gè)基本存儲(chǔ)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(zhǎng)32字節(jié)，記錄了每個(gè)文件的代號(hào)、長(zhǎng)度、屬性、目錄、生成和最后修改的時(shí)間以及文件的存儲(chǔ)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(duì)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(qǐng)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(zhǎng)度和起始簇號(hào)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(hào)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(hào)，根據(jù)第2個(gè)簇號(hào)又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT 表中的第3個(gè)簇號(hào)，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(duì)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(duì)檢測(cè)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(chǔ)部分，采用大容量、小體積、性價(jià)比高的存儲(chǔ)介質(zhì)SD卡來存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間段的檢測(cè)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(duì)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(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改就可移植到CF卡、閃存等其它的存儲(chǔ)介質(zhì)上?！?p>