基于ARM9和μC／OS-II的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：主要針對(duì)貨車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實(shí)時(shí)載重?cái)?shù)據(jù)存取的需求而做的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于ARM9和μC／OS-II相結(jié)合的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng)。SD卡的接口電路采用SD總線模式連接，軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式操作系μC／OS-II，文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)參照FAT32規(guī)范。實(shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)能夠滿足大量數(shù)據(jù)的存取效率以及文件管理的技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：ARM9；SD卡文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存取，μC／OS-II；文件管理

    隨著嵌入式式技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM處理器憑借其高性能、廉價(jià)、耗能低的優(yōu)質(zhì)特性而得到廣泛應(yīng)用。文中主要針對(duì)貨車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實(shí)時(shí)載重?cái)?shù)據(jù)存取的需求，在ARM9嵌入式處理器和μC／OS-II操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存取速率高、易維護(hù)，易移植等特點(diǎn)。

1 硬件接口電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)處理器為S3C2440A，是三星公司推出的16／32位RISC微處理器，ARM920T內(nèi)核，主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，內(nèi)部具有豐富的系統(tǒng)外圍控制器和多種通信接口。SD卡支持SPI和SD兩種通信模式，S3C2440A具有SD卡接口，支持SD總線模式，所以不再像低端的ARM處理器那樣采用SPI模式，而是采用SD總線模式，這樣可以大大提高SD卡的讀寫速度。S3C2440A與SD卡讀寫器的接口電路如圖1所示。

    SD卡的DAT0～DAT3、CLK(時(shí)鐘線)和CMD(命令線)分別連接到S3C2440A的SDDATA0～SDDATA3、SDCLK和SDCMD引腳。SD卡支持單線和寬總線的數(shù)據(jù)傳輸，寬總線數(shù)據(jù)一次傳4位，數(shù)度更快，因此，此設(shè)計(jì)采用寬總線方式。

2 SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    μC／OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)小型的嵌入式操作系統(tǒng)，它采用可剝離式內(nèi)核實(shí)施任務(wù)調(diào)度，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，而且每個(gè)任務(wù)具有唯一的優(yōu)先級(jí)，能夠保證就續(xù)表中任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。μC／OS-II大部分代碼是用移植性很高的C語(yǔ)言編寫的，只極少部分與處理器密切相關(guān)的部分代碼用匯編語(yǔ)言編寫，因此只需要做很少的工作就可以很方便地將它移植到各種不同構(gòu)架的微處理器上。

    為了增強(qiáng)軟件的可移植性，易維護(hù)性，程序設(shè)計(jì)時(shí)采用層次化，模塊化設(shè)計(jì)。模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示，除了用來(lái)進(jìn)行管理的操作系統(tǒng)外，共分為4個(gè)模塊，包括SD卡底層驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)，API接口，用戶應(yīng)用程序。底層驅(qū)動(dòng)完成SD卡初始化，以及實(shí)質(zhì)上的讀寫功能；文件系統(tǒng)采用PC機(jī)普遍支持的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)，完成文件的創(chuàng)建，讀寫，刪除功能；API接口封裝文件系統(tǒng)提供的函數(shù)，供上層應(yīng)用使用；用戶應(yīng)用程序通過調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)，完成相應(yīng)的功能。各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)下面會(huì)做以說明。
2．1 底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
2．1．1 SD卡初始化
    SD卡讀寫操作都是基于命令的，通過向SD卡發(fā)送命令并讀取命令的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的控制。在SD卡讀寫之前，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保SD卡能進(jìn)行正常數(shù)據(jù)讀寫的前提，SD卡初始化完成了SD卡上電，確認(rèn)，設(shè)置邏輯地址，使其進(jìn)入傳輸狀態(tài)以及設(shè)置總線帶寬幾大主要工作。需要注意的是，在發(fā)送使SD卡空閑命令CMD0之前至少等待74個(gè)時(shí)鐘，確保SD卡進(jìn)入SD總線模式。SD卡初始化代碼編寫如下：


2．1．2 SD卡讀寫實(shí)現(xiàn)
    初始化完戚之后，就可對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作，通過設(shè)置SDI數(shù)據(jù)控制寄存器SDIDCON來(lái)確定SD卡的讀寫長(zhǎng)度，讀操作時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度作沒有明確限制，寫操作時(shí)，每次寫的長(zhǎng)度必須為BLOCK的倍數(shù)。SD卡的讀寫可以一次性讀寫單塊數(shù)據(jù)，也可以一次性讀寫多塊數(shù)據(jù)，多塊數(shù)據(jù)的讀寫結(jié)束時(shí)，要發(fā)送CMD12結(jié)束指令。主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)：Write_Card_Block()-寫入單塊數(shù)據(jù)；Write_Card_Data()-寫入多塊數(shù)據(jù)；Read_Card_Block()-讀多塊數(shù)據(jù)；Read_Card-Data()-讀多塊數(shù)據(jù)。
2．2 文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．2．1 FAT32文件系統(tǒng)概述
    Windows95 OSR2和Windows 98開始支持FAT32文件系統(tǒng)，它是對(duì)早期DOS的FAT文件系統(tǒng)的增強(qiáng)，由于文件系統(tǒng)的核心一文件分配表FAT擴(kuò)充為32位，所以稱為FAT32文件系統(tǒng)。FAT32包含DBR、保留扇區(qū)、FAT1、FAT2(第一個(gè)FAT的備份)、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)5部分。DBR(Dos Boot Rec ord)是操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)；保留扇區(qū)是為了對(duì)DBR作備份或留待以后升級(jí)時(shí)用；文件分配表區(qū)共保存了兩個(gè)相同的FAT表，文件所占用的存儲(chǔ)空間(簇鏈)及空閑空間的管理都是通過FAT實(shí)現(xiàn)的；FAT32根目錄區(qū)(ROOT區(qū))不再是固定區(qū)域、固定大小，可看作是數(shù)據(jù)區(qū)的一部分；數(shù)據(jù)區(qū)用來(lái)存放真正要記錄的文件數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)定義的一簇為4K個(gè)字節(jié)。
2．2．2 文件系統(tǒng)初始化
    文件系統(tǒng)初始主要是讀取SD卡的DBR扇區(qū)(0扇區(qū))，并分析該扇區(qū)內(nèi)容，從而獲取每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT開始扇區(qū)號(hào)，根目錄開始扇區(qū)號(hào)等關(guān)鍵信息，為文件的創(chuàng)建，讀寫等操作做準(zhǔn)備，文件系統(tǒng)初始化函數(shù)代碼如下：

2．2．3 文件創(chuàng)建
    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，為此程序設(shè)計(jì)時(shí)定義了如下結(jié)構(gòu)體：


    在文件目錄項(xiàng)FDT中申請(qǐng)登記項(xiàng)動(dòng)作就是通過對(duì)上述結(jié)構(gòu)體的操做來(lái)完成的，操作流程，也是文件創(chuàng)建流程如圖3所示，當(dāng)把SD卡插入卡插槽時(shí)，系統(tǒng)首先初始化SD卡，即讀取SD卡的DBR扇區(qū)(0扇區(qū))獲取相關(guān)信息，接下來(lái)打開所要?jiǎng)?chuàng)建文件的路徑，如果路徑不存在，創(chuàng)建該路徑，如果存在，搜尋FAT表，找空閑簇。再接下來(lái)把要?jiǎng)?chuàng)建的文件的相關(guān)信息(文件名，文件大小，創(chuàng)建時(shí)間，屬性等)填入上述結(jié)構(gòu)體，把該結(jié)構(gòu)體寫入文件目錄項(xiàng)FDT，相應(yīng)的扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)，最后更新FAT鏈表。文件創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)函數(shù)為FAT32_Creat_File()。

2．2．4 文件讀寫
    文件系統(tǒng)對(duì)SD卡上文件的管理都是以簇為單位進(jìn)行的。要讀文件，就要首先找到文件，查找文件就是把文件名和文件目錄項(xiàng)FDT中的文件名匹配。如果匹配不成功，說明該文件不存，此時(shí)就可以利用函數(shù)FAT32_Creat_Flie()創(chuàng)建。如果匹配成功讀就找到了該文件，在匹配成功的那個(gè)目錄登記項(xiàng)中找到該文件的起始簇號(hào)，知道了該起始簇號(hào)，就可以根據(jù)FAT表中的簇鏈關(guān)系找到到第2簇，第3簇，直到最后一簇文件結(jié)束。寫文件時(shí)，由于FAT2是FAT1的備份，要保證兩者的一致性，就要對(duì)它們做同樣的寫操作。主要的函數(shù)有：FAT32_Open_File()-打開文件；FAT32_Read_File()-讀文件；FAT32_Write_File()-寫文件；FAT32_Close_File()-關(guān)閉文件。
2．2．5 文件刪除
    FAT32文件系統(tǒng)中所謂的刪除實(shí)際上只是把文件名稱的第一個(gè)字母改成一個(gè)特殊字符(在文件目錄登記項(xiàng)上做一個(gè)刪除標(biāo)記)，把文件在FAT表中占用的簇標(biāo)記為空簇，但文件包含的數(shù)據(jù)仍在磁盤上，下次將新的文件保存到磁盤時(shí)，這些簇可能被新的文件使用，從而覆蓋原來(lái)的數(shù)據(jù)。因此，只要不保存新的文件，被刪除文件的數(shù)據(jù)實(shí)際上仍舊完整無(wú)缺地保存在磁盤上。文件刪除函數(shù)為：FAT32_DeleteFile()。
2．3 API接口設(shè)計(jì)
    API接口模塊要是向用戶應(yīng)用程序提供文件的創(chuàng)建讀寫刪除功能，該模塊通過調(diào)用文件系統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要的借口函數(shù)有：OS_ CreateFile()-創(chuàng)建文件；OS_OpenFile()-打開文件；OS_WriteFile()-文件寫入數(shù)據(jù)；OS_WriteFile()-讀文件數(shù)據(jù)；OS_CloseFile()-關(guān)閉文件；OS_DeleteFile-刪除文件。
2．4 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    該模塊通過直接運(yùn)用文件系統(tǒng)提供的API接口函數(shù)完成對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)信息的操作，只需要對(duì)μC／OS-II操作系統(tǒng)直接負(fù)責(zé)，并不需要考慮文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)問題以及底層硬件驅(qū)動(dòng)問題。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)作為貨車車載動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，采用容量大、體積小、性價(jià)比高的存儲(chǔ)介質(zhì)SD卡來(lái)存儲(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間段的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)FAT32進(jìn)行了裁剪，并結(jié)合SD卡的底層的讀寫程序，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式SD卡文件系統(tǒng)，這樣就能很方便通過上位機(jī)對(duì)SD卡記錄貨車稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢，綜合分析以及備份。同時(shí)該方法為其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲(chǔ)器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式記錄到SD卡上，便于文件的統(tǒng)一管理。