ARM7系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CF卡存儲(chǔ)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是目前市場(chǎng)上的大型商用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，而且都針對(duì)特定的硬件平臺(tái)。對(duì)于中小型系統(tǒng)開發(fā)，購(gòu)買商用實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不劃算。 目前我們正著手將嵌入式系統(tǒng)軟件應(yīng)用于汽車衛(wèi)星導(dǎo)航儀系統(tǒng)的一步開發(fā)。傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用并不包括文件系統(tǒng)，而我們要實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng)需要在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)文件的讀寫。因此它既要支持與MS-DOS兼容的文件系統(tǒng)也要支持其它類型的文件系統(tǒng)。

另一方面，從數(shù)碼相機(jī)到MP3播放機(jī)，從掌上電腦到數(shù)碼攝像機(jī)，CF(CompactFlash)卡由于具有體積小、兼容性強(qiáng)、價(jià)格相對(duì)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)碼設(shè)備上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但若想在CF卡與PC之間傳遞數(shù)據(jù)，通常不得不借助于專門的讀卡器，這給PC的用戶帶來(lái)了不小的麻煩。 CompactFlash卡全稱為“標(biāo)準(zhǔn)閃存卡”，簡(jiǎn)稱“CF卡”。CF卡的應(yīng)用空間比較廣，最常見的是在數(shù)碼照相機(jī)中用于照片的存儲(chǔ)。由于CF卡內(nèi)部采用模擬硬盤控制器的設(shè)計(jì)，使得CF卡可以比較容易地通過(guò)IDE接口實(shí)現(xiàn)與電腦的連接，一定程度上可以起到移動(dòng)存儲(chǔ)的作用。 一般的嵌入式系統(tǒng)不會(huì)提供讀寫CF卡的接口，所以需要在文件系統(tǒng)中專門設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。

1 基本原理

CF卡的存取方式有三種：Memory方式、I/O方式以及True IDE方式。我們選擇的是True IDE方式。需要注意的是，當(dāng)主機(jī)電源一直接通時(shí)，拔插CF卡將會(huì)使其從原來(lái)的True IDE方式重新配置成PC Card ATA方式。所以要讓CF卡一直工作在True IDE，需要在電源加電啟動(dòng)時(shí)將OE輸入信號(hào)接地。此方式也支持8位存取，但我們選擇了16位存取。一次最多存取的扇區(qū)數(shù)可由命令碼Ech中的第47參數(shù)字決定。

CF卡跟硬盤的結(jié)構(gòu)相同。在引導(dǎo)區(qū)中裝有用于啟動(dòng)系統(tǒng)的代碼，以及有關(guān)文件系統(tǒng)的重要信息，隨后是記錄所有磁盤空間的表，再下來(lái)就是根目錄，然后是所有其它的東西。引導(dǎo)扇區(qū)在其末尾處包含有分區(qū)表。此表包含了用以標(biāo)示每個(gè)分區(qū)開始和結(jié)束的表項(xiàng)，最多可以有四個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)可包含不同的文件系統(tǒng)。緊隨引導(dǎo)區(qū)之后的是FAT(文件分配表)，用來(lái)記錄設(shè)備中所有的磁盤空間的信息(此表與UNIX中的I-node表和空閑表具有相同的功能)。

設(shè)計(jì)軟件時(shí)，同時(shí)考慮了通用性及可擴(kuò)展性，目的在于使該文件系統(tǒng)無(wú)需分別修改便能夠?qū)F卡、IDE硬盤、RAM Disk、電子盤、SD等不同的存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行操作;讀出這些存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，并且可以將數(shù)據(jù)輸送到不同存儲(chǔ)設(shè)備上。

為了達(dá)到這些目的，我們針對(duì)不同CPU的不同處理方法，對(duì)硬件操作程序進(jìn)行分離，將設(shè)備有關(guān)的底層程序變成與設(shè)備無(wú)關(guān)的上層操作。這樣，當(dāng)系統(tǒng)新增功能之后，不必更改每個(gè)子程序，只需要在某些接口文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加或者更改數(shù)據(jù)項(xiàng)即可;又考慮到用戶對(duì)上層操作的透明性，我們采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ蠈咏Y(jié)構(gòu)中存取操作的driver結(jié)構(gòu)(含read、write數(shù)據(jù)項(xiàng))是虛擬的，在底層才將它具體化為CF卡的讀寫扇區(qū)命令(操作碼為：20h、30h)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述原理，可完成軟件設(shè)計(jì)，分為六個(gè)主要部分。

其中，CF卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是CF卡的存取操作函數(shù)所采用的命令碼有些不同。另外，我們使用驅(qū)動(dòng)程序對(duì)象來(lái)代表CF卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο髮?duì)于用戶是部分不透明的，數(shù)據(jù)項(xiàng)包括讀寫函數(shù)的指針，這些函數(shù)由文件系統(tǒng)程序輸出(包括兩部分函數(shù)，用戶可見API函數(shù)調(diào)用和用戶不見驅(qū)動(dòng)存取函數(shù))。此對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聲明如下：

typedef struct CF_XFILE_DRIVER{

BYTE driver_name; /*介質(zhì)標(biāo)示;CF卡、IDE硬盤、Flash卡、RAMDISK等，刪除驅(qū)動(dòng)的話，需要重新記錄DRIVER號(hào)*/

...... /*IRP處理函數(shù)*/

}CF_XFILE_DRIVER;

如果有多個(gè)CF卡，需要用另外一個(gè)特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Next_Driver來(lái)把它們水平連接在一起。然后，用鏈表來(lái)管理這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，管理方式類似于 WDM(Windows Driver Model)。

3 測(cè)試分析

經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行，該文件系統(tǒng)性能良好。與我們之前已經(jīng)移植過(guò)的Nucleus、μC/OS-II、UNIX的操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)相比，本文介紹的文件系統(tǒng)可移植性更強(qiáng);除了文中著重介紹的CF卡，經(jīng)過(guò)對(duì)底層驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單修改就可以應(yīng)用于其它存儲(chǔ)介質(zhì)如RAMdisk、IDE硬盤、Flash等(其中IDE硬盤和Flash也已經(jīng)調(diào)試成功)。另外，本文介紹的文件系統(tǒng)對(duì)硬件平臺(tái)的配置要求降低，并且對(duì)于文件操作的運(yùn)行速度并未減慢。