基于CF卡的特定FAT文件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、引言

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

　　此外，對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，大部分設備只要求能夠及時將數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲，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)存儲設備取出，連接到后端的一些專用數(shù)據(jù)處理設備上進行數(shù)據(jù)的后期處理。對于這類存儲采集裝置，在具體的存儲方案上無外乎磁介質(zhì)、光介質(zhì)和固體介質(zhì)幾種，而由于光介質(zhì)的存儲方式精密程度和對環(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占得了先機，之前采用磁介質(zhì)存儲的方案較多。但是近年來，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（CompactFlash Association）提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術(shù)。CompactFlash卡（簡稱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，此外還包含一個雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖。CF卡的存儲模塊基本上都使用NAND型閃存，內(nèi)部控制器用來實現(xiàn)CF卡與主機的接口以及控制數(shù)據(jù)的傳輸，使外圍電路設計大大簡化。實際上，這個控制器起到了一種協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，即把對各種不同類型存儲媒介的讀寫轉(zhuǎn)化成了對通用控制器的訪問，這樣不同的CF卡都可以按照統(tǒng)一的接口規(guī)范來操作，而不用擔心兼容性問題。此外，由于其完全符合ATA接口規(guī)范，使得對基于CF卡的存儲系統(tǒng)的開發(fā)變得更加方便。

　　CF卡的讀寫方式有三種：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式與PCMCIA標準兼容，True IDE模式與ATA標準兼容。三種方式相比較而言，在True IDE模式下，CF卡與主機通信的信號最少，硬件接口最簡單、軟件易于實現(xiàn)，并且由于IDE接口協(xié)議較為普及，通常開發(fā)周期短一些，且應用更為成熟。

　　在外部看來，CF卡的數(shù)據(jù)按照扇區(qū)的方式進行存儲，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×磁頭數(shù)+磁頭號)×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)號-1

　　由于CF卡沒有機械結(jié)構(gòu)，因此CF卡的扇區(qū)尋址更適宜采用沒有磁頭和磁道轉(zhuǎn)換操作的邏輯尋址方式，尤其在訪問連續(xù)扇區(qū)時，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）、功耗低、非易失性等優(yōu)點，并且隨著存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，CF卡的容量已經(jīng)越來越大，64GB的CF卡已經(jīng)由三星公司在2006年實現(xiàn)市場商品化，CF卡越來越多地成為工業(yè)存儲尤其是信號測試采集過程中的首選存儲設備。本系統(tǒng)采用存儲介質(zhì)是Sandisk公司1GB大小的Extreme III CF卡，支持最大的讀寫速度均為20MB/s，完全可以滿足一般的實時數(shù)據(jù)采集需求。

3、系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)源通過數(shù)據(jù)緩沖控制器，被不間斷地寫入作為數(shù)據(jù)緩沖的雙口RAM中，當緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到達一定數(shù)量之后，數(shù)據(jù)緩沖控制器通過與處理器的通信，發(fā)起DMA傳輸，由DMA控制器來獨立完成數(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)點就是可以支持多達60多個外設選項，并且允許開發(fā)者自己制定外設模塊，使得開發(fā)者能夠在更廣的范圍內(nèi)選擇或者自己設計開發(fā)更加合適的外設，以獲得最合適的處理器、外設和接口組合，而不必為根本用不到的功能而去支付硬件開銷，以達到最佳的性價比。