基于ARM和SD卡的嵌入式文件系統(tǒng)研究與設計

SD卡操作函數(shù)接口層

本層目的是為FAT16文件系統(tǒng)層提供所需的SD卡操作函數(shù)，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-獲得SD卡信息；SD_CalTimeout()-計算讀/寫/擦超時時間；SD_ReadBlock()-讀單塊數(shù)據(jù)；SD_ReadMultiBlock()-讀多個塊數(shù)據(jù)；SD_WriteBlock()-向SD卡中寫入一個塊；SD_Write MultiBlock()-向SD卡寫入多塊數(shù)據(jù)；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的塊。以單塊數(shù)據(jù)寫為例說明，當SD卡接收到單塊寫命令CMD24后，卡將發(fā)送給主機一個應答令牌，并且等待主機發(fā)送一個發(fā)送數(shù)據(jù)塊來，當應答R1為0時，說明可以發(fā)送數(shù)據(jù)，塊大小設置為512字節(jié)，卡對每個數(shù)據(jù)塊返回1字節(jié)長的應答令牌，當其低5位為00101時，數(shù)據(jù)塊被正確寫入SD卡。數(shù)據(jù)塊之后附有CRC校驗，如果校驗失敗，則所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會被丟掉，數(shù)據(jù)傳輸被終止。

FAT16文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)層向應用層提供了對文件和目錄進行操作的API接口函數(shù)。要使寫入SD卡的數(shù)據(jù)在裝有Windows或Linux操作系統(tǒng)的上位機中得到正確訪問，需要在SD卡上創(chuàng)建它們支持的文件系統(tǒng)，考慮到文件系統(tǒng)在嵌入式設備上實現(xiàn)的方便性和SD卡的應用規(guī)模，選擇了建立FAT16文件系統(tǒng)。

FAT16文件系統(tǒng)的結構

文件系統(tǒng)由4部分組成：系統(tǒng)記錄區(qū)(System Record Region)，F(xiàn)AT表區(qū)(FAT Region)，文件登記表區(qū)(File Register Table Region)，數(shù)據(jù)區(qū)(Data Region)。

1. 系統(tǒng)記錄區(qū)通常包含4塊內容：BIOS參數(shù)記錄塊BPB(BIOS Parameter Block)，磁盤標志記錄表，分區(qū)引導記錄代碼區(qū)和結束標志0x55AA。BPB表從扇區(qū)字節(jié)位移0x0b開始,占25字節(jié)。

2. FAT16的文件系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。文件在磁盤上以簇為單位存儲,但是同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個連續(xù)的區(qū)域內，往往會分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲中簇與簇之間連接信息的，這就是文件的鏈式存儲。FAT16文件系統(tǒng)采用16位字長的分配表，最多可以管理216個基本存儲單元。

3. 文件目錄表FDT固定占32個扇區(qū)，每個扇區(qū)可以容納16個登記項，每個登記項長32字節(jié)，記錄了每個文件的代號、長度、屬性、目錄、生成和最后修改的時間以及文件的存儲鏈在文件分配表中的入口。

4. 數(shù)據(jù)區(qū)用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分磁盤空間，本系統(tǒng)定義其1塊為512字節(jié)。

FAT16文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

FAT16文件系統(tǒng)向應用層提供的接口有：FormatFAT16()，將卡格式化為FAT16文件系統(tǒng)格式；FreeCluster()，查找自由簇；CreateFile()，創(chuàng)建文件；OpenFile()，打開文件；WriteFile()，寫文件；ReadFile()，讀文件；CloseFile()，關閉打開文件；DelFile()，刪除文件。其中創(chuàng)建、讀寫和刪除文件是應用程序使用的主要函數(shù)接口，下面對其詳細介紹。

1.文件的創(chuàng)建
在SD卡上創(chuàng)建文件或目錄的過程就是在文件目錄表FDT中申請登記項的過程，流程圖如圖4所示。登記項中包括文件名、文件長度和起始簇號等內容。

2.文件的讀/寫
SD卡上文件都是以簇為單位存取的。讀SD卡上的文件，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項，根據(jù)目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)中第1簇的內容，又可在FAT表中找到第2個簇號，根據(jù)第2個簇號又能找到第2簇的內容和FAT 表中的第3個簇號，以此類推，可讀取到全部文件數(shù)據(jù)。向SD卡寫文件，要保證FAT1和FAT2中內容的一致性，即對兩塊都要進行同樣的寫操作。

3.文件的刪除
刪除文件時，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個刪除標記，并把文件在FAT表中所占用的簇標記為“空簇”。

應用程序層

該層直接使用文件系統(tǒng)層的接口API函數(shù)完成對檢測到數(shù)據(jù)的操作，而不需要考慮使用函數(shù)的細節(jié)問題以及底層硬件的相關問題。

結語

本設計作為汽車性能記錄議的數(shù)據(jù)存儲部分，采用大容量、小體積、性價比高的存儲介質SD卡來存儲長時間段的檢測數(shù)據(jù)，裁減了FAT16實現(xiàn)了嵌入式文件系統(tǒng)，上位機可方便的對記錄數(shù)據(jù)進行綜合分析和備份。該嵌入式文件系統(tǒng)的分層結構使得只需對底層驅動進行簡單修改就可移植到CF卡、閃存等其它的存儲介質上。■