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

摘要：介紹針對ARM7架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)中，以CF卡作為存儲介抽的文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中地圖信息讀寫的具體應(yīng)用介紹了其軟硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：嵌入式文件系統(tǒng) CF卡 ARM7 隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應(yīng)用越來越廣泛。但是目前市場上的大型商用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，而且都針對特定的硬件平臺。對于中小型系統(tǒng)開發(fā)，購買商用實(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)格相對低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)碼設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。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的用戶帶來了不小的麻煩。 CompactFlash卡全稱為“標(biāo)準(zhǔn)閃存卡”，簡稱“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。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IDE接口實(shí)現(xiàn)與電腦的連接，一定程度上可以起到移動存儲的作用。 一般的嵌入式系統(tǒng)不會提供讀寫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)動程序。 1 基本原理 圖1所示的CF卡中，主機(jī)系統(tǒng)的控制器接口允許數(shù)據(jù)從Flash介質(zhì)讀寫。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卡將會使其從原來的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時(shí)將OE輸入信號接地。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，如圖2所示。在引導(dǎo)區(qū)中裝有用于啟動系統(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等不同的存儲介質(zhì)進(jìn)行操作;讀出這些存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，并且可以將數(shù)據(jù)輸送到不同存儲設(shè)備上。 為了達(dá)到這些目的，我們針對不同CPU的不同處理方法，對硬件操作程序進(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;又考慮到用戶對上層操作的透明性，我們采用面向?qū)ο蟮姆椒?，上層結(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)。

軟件程序的主要流程如圖3所示。 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)，其基本框架如圖4所示，分為六個(gè)主要部分。 其中，CF卡驅(qū)動程序設(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)動程序?qū)ο髞泶鞢F卡設(shè)備驅(qū)動程序。該驅(qū)動程序?qū)ο髮τ谟脩羰遣糠植煌该鞯?，?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)動存取函數(shù))。此對象的數(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)動的話，需要重新記錄DRIVER號*/ …… /*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來把它們水平連接在一起。然后，用鏈表來管理這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，管理方式類似于 WDM(Windows Driver Model)。

3 測試分析 經(jīng)過調(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)過對底層驅(qū)動的簡單修改就可以應(yīng)用于其它存儲介質(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)對硬件平臺的配置要求降低，并且對于文件操作的運(yùn)行速度并未減慢。