基于CF卡的特定FAT文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、引言

　　隨著測(cè)試與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)試采集系統(tǒng)的采集速度、處理能力以及存儲(chǔ)容量逐漸成為衡量其性能的重要指標(biāo)。隨著數(shù)據(jù)采集精度的不斷提高，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也成倍的在增長(zhǎng)，并且由于其實(shí)時(shí)性要求依然存在，因此，如何開(kāi)發(fā)出大容量、高速的外掛移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備成為測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

　　此外，對(duì)于部分有特殊要求的室外采集裝置，其數(shù)據(jù)處理要求并不高，大部分設(shè)備只要求能夠及時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ)，并能夠保證在斷電之后數(shù)據(jù)不丟失，且便于拆卸、轉(zhuǎn)移，之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備取出，連接到后端的一些專(zhuān)用數(shù)據(jù)處理設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理。對(duì)于這類(lèi)存儲(chǔ)采集裝置，在具體的存儲(chǔ)方案上無(wú)外乎磁介質(zhì)、光介質(zhì)和固體介質(zhì)幾種，而由于光介質(zhì)的存儲(chǔ)方式精密程度和對(duì)環(huán)境的要求都較高，因此采用得很少。磁介質(zhì)由于其容量大的特點(diǎn)占得了先機(jī)，之前采用磁介質(zhì)存儲(chǔ)的方案較多。但是近年來(lái)，隨著固體介質(zhì)技術(shù)的不斷發(fā)展，其容量已經(jīng)與磁介質(zhì)漸漸接近，并且基本上可以滿足部分需求。本文所采用的CF卡就是其中一種工業(yè)上采用較多的固體存儲(chǔ)介質(zhì)方案。此外，在本系統(tǒng)中，采用的是FPGA+軟核CPU作為控制核心。在存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件方面，則采用了可以與普通PC相兼容的經(jīng)過(guò)了特殊處理的FAT32文件系統(tǒng)。

2、CF卡的結(jié)構(gòu)和工作原理

 
　　CompactFlash技術(shù)是由CF協(xié)會(huì)（CompactFlash Association）提出的一種與PC機(jī)ATA接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的技術(shù)。CompactFlash卡（簡(jiǎn)稱CF卡）主要由兩大部分構(gòu)成：內(nèi)部控制器和閃存模塊，如圖1所示，此外還包含一個(gè)雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖。CF卡的存儲(chǔ)模塊基本上都使用NAND型閃存，內(nèi)部控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)CF卡與主機(jī)的接口以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，使外圍電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。實(shí)際上，這個(gè)控制器起到了一種協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，即把對(duì)各種不同類(lèi)型存儲(chǔ)媒介的讀寫(xiě)轉(zhuǎn)化成了對(duì)通用控制器的訪問(wèn)，這樣不同的CF卡都可以按照統(tǒng)一的接口規(guī)范來(lái)操作，而不用擔(dān)心兼容性問(wèn)題。此外，由于其完全符合ATA接口規(guī)范，使得對(duì)基于CF卡的存儲(chǔ)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變得更加方便。

　　CF卡的讀寫(xiě)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。三種方式相比較而言，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)，并且由于IDE接口協(xié)議較為普及，通常開(kāi)發(fā)周期短一些，且應(yīng)用更為成熟。

　　在外部看來(lái)，CF卡的數(shù)據(jù)按照扇區(qū)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，其扇區(qū)尋址有兩周方式：物理尋址方式（CHS）和邏輯尋址方式（LBA），而這兩者之間的關(guān)系為：
 
LBA地址=(柱面號(hào)×磁頭數(shù)+磁頭號(hào))×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)號(hào)-1

　　由于CF卡沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此CF卡的扇區(qū)尋址更適宜采用沒(méi)有磁頭和磁道轉(zhuǎn)換操作的邏輯尋址方式，尤其在訪問(wèn)連續(xù)扇區(qū)時(shí)，操作速度相比物理尋址方式而言要快得多。

　　此外，CF卡還具有體積小、可靠性高（固態(tài)存儲(chǔ)）、功耗低、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，CF卡的容量已經(jīng)越來(lái)越大，64GB的CF卡已經(jīng)由三星公司在2006年實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)商品化，CF卡越來(lái)越多地成為工業(yè)存儲(chǔ)尤其是信號(hào)測(cè)試采集過(guò)程中的首選存儲(chǔ)設(shè)備。本系統(tǒng)采用存儲(chǔ)介質(zhì)是Sandisk公司1GB大小的Extreme III CF卡，支持最大的讀寫(xiě)速度均為20MB/s，完全可以滿足一般的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集需求。
 

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
  
　　本系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)源通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖控制器，被不間斷地寫(xiě)入作為數(shù)據(jù)緩沖的雙口RAM中，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到達(dá)一定數(shù)量之后，數(shù)據(jù)緩沖控制器通過(guò)與處理器的通信，發(fā)起DMA傳輸，由DMA控制器來(lái)獨(dú)立完成數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)到CF卡的傳輸。

　　Nios II軟核處理器是Altera公司推出的第二代FPGA嵌入式處理器，它是一款32位RISC嵌入式處理器。它最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以支持多達(dá)60多個(gè)外設(shè)選項(xiàng)，并且允許開(kāi)發(fā)者自己制定外設(shè)模塊，使得開(kāi)發(fā)者能夠在更廣的范圍內(nèi)選擇或者自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更加合適的外設(shè)，以獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必為根本用不到的功能而去支付硬件開(kāi)銷(xiāo)，以達(dá)到最佳的性價(jià)比。

　　在Nios II上還有另外一個(gè)非常重要的概念，即Avalon數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)。Avalon總線是為SOPC環(huán)境而設(shè)計(jì)的，是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的總線結(jié)構(gòu)，主要用于連接片內(nèi)處理器與外設(shè)，以構(gòu)成SOPC系統(tǒng)，互連邏輯由PLD內(nèi)部的邏輯單元構(gòu)成?？偩€描述了主從設(shè)備間的端口連接關(guān)系以及設(shè)備間通信的時(shí)序關(guān)系?？偩€擁有多種傳輸模式，以適應(yīng)不同外設(shè)的要求，其基本的傳輸模式是在一個(gè)主外設(shè)和一個(gè)從外設(shè)之間進(jìn)行單字節(jié)、半字或字（8、16或32位）的傳輸。總線設(shè)有特定的端口長(zhǎng)度對(duì)齊功能，使得不同數(shù)據(jù)端口長(zhǎng)度的主從端之間進(jìn)行傳輸不存在任何問(wèn)題，更加方便了開(kāi)發(fā)者的使用。此外，利用DMA控制器組件，使得DMA技術(shù)可以非常方便地應(yīng)用于Nios系統(tǒng)。在DMA模式下傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，則傳輸發(fā)起所耗費(fèi)的運(yùn)算量則相對(duì)越小，傳輸效率也越高。
 
4、特定FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

　　為了使用和管理上的方便，將數(shù)據(jù)信息以文件的形式存放在存儲(chǔ)介質(zhì)上，加上特有的邏輯組織關(guān)系，就構(gòu)成了文件系統(tǒng)。在PC電腦+Windows操作系統(tǒng)的模式下，最為普遍的就是FAT文件系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)量的不斷加大，FAT文件系統(tǒng)也由最初的FAT12發(fā)展到了FAT32，最大可以支持4GB的單個(gè)文件，理論上最大可以支持2TB的分區(qū)。

　　FAT32文件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于在FAT32文件系統(tǒng)中，文件存放采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，鏈表存儲(chǔ)在FAT表中，因此實(shí)現(xiàn)了文件實(shí)際數(shù)據(jù)的不連續(xù)存放（最小存儲(chǔ)單位內(nèi)是連續(xù)的）。雖然這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)使得文件在管理操作上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)反復(fù)靈活分配存儲(chǔ)空間的目的，但是由于過(guò)多的尋址也同時(shí)降低了系統(tǒng)對(duì)于文件讀寫(xiě)的性能。在很多實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存

　　儲(chǔ)性能目標(biāo)更為重要，因此完全可以將FAT32系統(tǒng)簡(jiǎn)化，使得具體的文件數(shù)據(jù)在用戶數(shù)據(jù)區(qū)中連續(xù)存放，而系統(tǒng)在操作文件的時(shí)候，只需要獲取文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)地址（簇號(hào)）以及文件的大小，即可進(jìn)行連續(xù)地址讀寫(xiě)操作，省去了不斷查找簇鏈的運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo)。并且，由于實(shí)際數(shù)據(jù)在物理地址上連續(xù)存放，更使得DMA可以發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)，一次性的傳輸數(shù)據(jù)量可以大大提高，讀寫(xiě)操作得以更加高效的執(zhí)行。

　　在具體的操作上，主要問(wèn)題在于如何定位文件的第一個(gè)數(shù)據(jù)簇號(hào)以及如何獲取文件的大小。作者在Altera公司提供的Nios II IDE編程環(huán)境中，采用C語(yǔ)言成功編寫(xiě)相關(guān)程序。程序運(yùn)行流程如圖4所示。

5、總結(jié)

　　本文給出了一種可以實(shí)際應(yīng)用的基于CF卡的特定簡(jiǎn)化版FAT32文件系統(tǒng)，以及該文件系統(tǒng)所應(yīng)用的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)不僅僅擁有長(zhǎng)期保存、便于攜帶的特點(diǎn)，而且通過(guò)簡(jiǎn)化文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作的速率和效率，并且該文件系統(tǒng)完全可以直接被Windows操作系統(tǒng)所識(shí)別，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)操作處理。