基于S3C2410和CF卡的FAT32開發(fā)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。CF(Compact Flash)卡以其能捕獲、保存、傳送數(shù)據(jù)、及其它音像信息的設(shè)計(jì)理念誕生于1994年，它是最早推出的閃存卡。由于CF卡具有價(jià)格低廉、體積小、存儲(chǔ)容量大、高速等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、PDA和筆記本電腦等那些需要高速采樣、實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)、然后再將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理的儀器和設(shè)備中。

由于CF卡中存儲(chǔ)的信息要能從PC機(jī)上讀取出來，所以必須采用一種標(biāo)準(zhǔn)的格式組織數(shù)據(jù)，通常采用的方法是在CF卡中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上存在多種商用的嵌入式操作系統(tǒng)可以支持文件系統(tǒng)，但這些操作系統(tǒng)對(duì)硬件要求一般都比較高，價(jià)格昂貴，且要額外占用一定量的存儲(chǔ)空間。由于成本等方面的限制，較少使用嵌入式操作系統(tǒng)，因此很有必要開發(fā)一種不依賴于商用操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)。在此本文介紹了按照FAT32格式實(shí)現(xiàn)的基于S3C2410的CF卡文件系統(tǒng)。

2 CF卡簡(jiǎn)介

CF存儲(chǔ)卡內(nèi)嵌單片控制器及閃存模塊，連接口為25針雙排的母插口，點(diǎn)距為50mil(1.27mm)。CF卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊圖如圖1所示。

圖1 CF存儲(chǔ)卡模塊圖

主控制器通過一個(gè)50針的連接器與CF卡連接。連接器為每排25針（1.27mm）的公插頭。

CF卡的存取方式有三種：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式與PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)兼容。True IDE模式與ATA標(biāo)準(zhǔn)兼容。

3 S3C2410與CF卡接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了ARM公司的32位嵌入式微處理器S3C2410。ARM 系列嵌入式微處理器，以其低功耗、高性能等突出優(yōu)點(diǎn)已在32位嵌入式應(yīng)用中穩(wěn)居世界第一，成為高性能、低功耗嵌入式處理器的代名詞。ARM核已是現(xiàn)在嵌入式SoC系統(tǒng)芯片的核心，也是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的方向。

S3C2410與CF卡的硬件連接關(guān)系如圖2所示，通過改變CPLD內(nèi)部邏輯關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)三種模式。由于在True IDE模式下，CF卡與主機(jī)通信的信號(hào)最少，硬件接口最簡(jiǎn)單、軟件易于實(shí)現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)采用了True IDE模式。

圖2 S3C2410與CF卡的硬件連接關(guān)系圖

 
在True IDE模式下，某些信號(hào)有特殊的含義，必須采用True IDE模式下特有的設(shè)置方法,如表1True IDE模式I/O解碼所示:

表1  True IDE模式I/O解碼

 
nCE1是任務(wù)文件寄存器片選信號(hào)，低電平有效；nCE2是交替狀態(tài)(Alternate Status)寄存器和設(shè)備控制(Device Control)寄存器片選信號(hào)，也是低電平有效。因?yàn)閷?shí)際操作中，極少使用交替狀態(tài)寄存器和設(shè)備控制寄存器，所以對(duì)CF卡的操作實(shí)際就是對(duì)任務(wù)文件寄存器的操作。因此，一般設(shè)置nCE1=0，nCE2=1。主機(jī)操作CF卡時(shí)，系統(tǒng)僅使用地址總線A2～A0，用于選擇組成任務(wù)文件寄存器的8個(gè)寄存器之一。表1中，nCE1=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的8個(gè)寄存器統(tǒng)稱為任務(wù)文件寄存器。

需要注意的是，在True IDE模式下，nOE不是讀使能信號(hào)，而是CF卡True IED模式的使能信號(hào)。CF卡上電時(shí)，若nOE(PIN9)為"0"，則CF卡自動(dòng)進(jìn)入True IDE模式；若nOE="1"則進(jìn)入PC Card 模式。當(dāng)電源一直接通時(shí)，熱拔插CF卡將會(huì)使其從原來的True IDE模式重新配置成PC Card模式。因此，熱插拔過程中，為了使CF卡工作在True IDE模式，需要在CF卡加電啟動(dòng)的同時(shí)，將nOE信號(hào)接地。實(shí)現(xiàn)的方法：在CPLD中將nOE置0。True IDE模式下，nWE也不用作寫使能信號(hào)，而應(yīng)該由主機(jī)將之接地。處理方法：在CPLD中將其只置為1。

還有一點(diǎn)需要注意的是Reset信號(hào)在True IDE 模式下低電平有效，而在其它模式下高電平有效。將Reset信號(hào)接到S3C2410的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)nReset。

4 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

目前, 在PC機(jī)DOS/Windows的管理下, 廣泛使用的是FAT12、FAT16 和FAT32 文件系統(tǒng),

FAT12一般用于軟盤, FAT16 和FAT32 則用于硬盤。本系統(tǒng)采用FAT32文件系統(tǒng)。   

FAT文件系統(tǒng)的卷由4個(gè)基本的區(qū)組成，它們?cè)诰碇械呐帕许樞蛉缦拢?/p>

0——保留區(qū)（引導(dǎo)區(qū)）；
1——FAT區(qū)；
2——根目錄區(qū)(FAT32中存在的是浮動(dòng)的FDT表)；
3——文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)。

FAT卷中第1個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BPB(BIOS Parameter Block)，它位于卷的保留區(qū)內(nèi)第1個(gè)扇區(qū)中，BPB參數(shù)塊記錄著分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲(chǔ)格式、硬盤介質(zhì)描述符、根目錄大小、FAT個(gè)數(shù), 分配單元大小等重要參數(shù)。文件分配表FAT，從邏輯1扇區(qū)開始, 它是文件管理系統(tǒng)用來給每個(gè)文件分配磁盤物理空間的表格, FAT文件分配表由表標(biāo)識(shí)和簇映射的集合組成, 一個(gè)完全相同的鏡像副本連續(xù)存儲(chǔ)在主FAT表后, FAT的全部目的就是跟蹤文件, 具體描述即需要說明整個(gè)磁盤分區(qū)中的每個(gè)存儲(chǔ)單元(簇) 的使用情況、文件數(shù)據(jù)的簇存儲(chǔ)情況(連續(xù)或碎片) 以及樹型目錄結(jié)構(gòu)的描述。FAT實(shí)際上就是一個(gè)卷中所有簇使用情況的映射表, 每個(gè)文件、目錄都同表中的若干項(xiàng)對(duì)應(yīng)聯(lián)系, 并在目錄中進(jìn)行索引。FAT之后就是根目錄, 記錄整個(gè)磁盤上所有文件的有用信息, 其中每一個(gè)文件占32個(gè)字節(jié), 包括文件名、文件屬性、文件的修改時(shí)間和文件的長(zhǎng)度等等。根目錄接下來是數(shù)據(jù)區(qū), 用來存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)等信息。

在CF卡上進(jìn)行文件讀寫操作過程如下：CF卡讀寫以扇區(qū)為單位，每扇區(qū)為512字節(jié)，每次可讀寫一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的扇區(qū)。在CF卡讀寫時(shí)，分別向扇區(qū)計(jì)數(shù)、扇區(qū)號(hào)、低柱面、高柱面、選擇卡／磁頭寄存器寫入CF卡需要訪問的扇區(qū)位置，其寫入模式有2種：即 CHS(Cylinder／Head／Sector)模式和LBA(Logical Block Address)模式。通過設(shè)置選擇卡／磁頭寄存器的第6位LBA確定其模式：即如果LBA=0，則為CHS模式；如果LBA=I，則為L(zhǎng)BA模式。本設(shè)計(jì)采用LBA尋址方式訪問CF卡數(shù)據(jù)。

S3C2410對(duì)CF卡讀扇區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)首先分別向扇區(qū)計(jì)數(shù)、扇區(qū)號(hào)、低柱面、高柱面、選擇卡／磁頭寄存器寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)指定需要讀寫的扇區(qū)；再向命令寄存器寫20H，讀取狀態(tài)字為58H后讀取數(shù)據(jù)；最后讀取命令寄存器的狀態(tài)字，如果為50H表示沒有錯(cuò)誤， CF卡進(jìn)入待命狀態(tài)。

S3C2410對(duì)CF卡向指定扇區(qū)寫數(shù)據(jù)的命令是30H，其操作與讀數(shù)據(jù)相似，只不過在寫入數(shù)據(jù)后要等到CF卡中數(shù)據(jù)穩(wěn)定并進(jìn)入空閑狀態(tài)才能結(jié)束這一過程。

通過對(duì)CF卡寫入命令ECH就可以讀出1個(gè)扇區(qū)，其中包含了該CF卡的一些參數(shù)的信息，如容量、默認(rèn)的柱面數(shù)、默認(rèn)的磁頭數(shù)、每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)和CF卡上總的扇區(qū)數(shù)等，以此來判斷是否需要格式化CF卡。在格式化后的CF卡中，具有FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

FAT32文件系統(tǒng)在CF卡上工作時(shí)，首先初始化文件系統(tǒng)；再建立一個(gè)目錄；然后讀/寫 一個(gè)文件；接著刪除這個(gè)文件和目錄；最后關(guān)閉文件系統(tǒng)。   

//初始化文件系統(tǒng)
DiskInit();                          //初始化邏輯盤信息管理模塊
AddFileDriver(CFCammand);            //加載CF卡底層驅(qū)動(dòng)程序
FileInit();                          //初始化文件指針系統(tǒng)
 
//建立一個(gè)目錄
ChangeDrive(“a:”);       //改變當(dāng)前邏刪除一個(gè)底層驅(qū)動(dòng)程序輯盤
MakeDir(“dir2.dir”);     //建立目錄
ChangDir(“a:\dir2”);    //改變當(dāng)前目錄

 
//讀/寫一個(gè)文件
FHandle = FileOpen(“a.txt”,w”);     //以指定方式打開文件
If  (FHandle != Not_Open_FILE)
 {
         FileSeek(FHandle,0,SEEK_END); //移動(dòng)文件讀/寫位置
           FileWrite(S,6, FHandle);      //寫文件
            FileClose(FHandle);            //關(guān)閉指定文件
  }
FHandle = FileOpen(“a.txt”,r”);
If  (FHandle != Not_Open_FILE)
  {
            FileSeek(FHandle,0,SEEK_END);
            FileRead(buf,6, FHandle2);   
            FileClose(FHandle);
  } //刪除這個(gè)文件、目錄，最后關(guān)閉文件系統(tǒng)
RemoveFile(S);                             //刪除文件
ChangeDir(“a:\”);                       //改變當(dāng)前目錄
RemoveDir(“dir2”);                       //刪除目錄
RemoveFileDriver(GetDrive(“a”)); //GetDrive(“a”)—獲取指定目錄的邏輯盤號(hào) 
                                  // RemoveFileDriver—刪除一個(gè)底層驅(qū)動(dòng)程序

5 結(jié)論

按照FAT32文件格式,在S3C2410的應(yīng)用系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了基于CF 卡的基本文件系統(tǒng)功能,如讀寫、創(chuàng)建、刪除和復(fù)制文件,創(chuàng)建、打開和刪除子目錄以及返回上級(jí)目錄等,且能與其他支持FAT32的系統(tǒng)交互信息。該系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展, 而且耗電量低, 滿足了長(zhǎng)期大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求, 存儲(chǔ)的文件與現(xiàn)在廣泛使用的windows操作系統(tǒng)兼容, 更加方便了高速采樣等場(chǎng)合的數(shù)據(jù)采集和回放分析。系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng), 可以很方便地應(yīng)用在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以及小型便攜式嵌入式系統(tǒng)中, 在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)方面更加靈活、穩(wěn)定, 擺脫了操作系的限制。

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)：介紹了一種不依賴于商用操作系統(tǒng)而按照FAT32格式實(shí)現(xiàn)的基于S3C2410的CF卡標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)，使得CF卡中存儲(chǔ)的信息能從PC機(jī)上讀取出來。

參考文獻(xiàn)
[1] 李昊,王躍科，周睿，潘仲明.CF卡在大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的典型應(yīng)用[ J ].微計(jì)算機(jī)信息,2005，11-1：66～68.
[2] 毛曉燕.基于8051的CF卡文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[ J ]. 自動(dòng)化儀表, 2003, 24 (6) : 23 ～ 37.
[3] 姚放君.嵌入Compact Flash卡接口設(shè)計(jì)[ J ]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2003,(6) : 225 ～227.
[4] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005.3