本文基于AVR單片機(jī)擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)了一款嵌入式文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器使用的損耗均衡，為延長(zhǎng)Flash存儲(chǔ)器的使用壽命提供研究方法。
1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
本嵌入式文件系統(tǒng)選用Atmel公司的AVR單片機(jī)ATmega 128和Flash存儲(chǔ)器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲(chǔ)空間，共分為4096數(shù)據(jù)頁(yè)，每頁(yè)可存儲(chǔ)264字節(jié)。通過(guò)串行外圍設(shè)備接口SPI實(shí)現(xiàn)ATmega 128和AT45DB081之間的數(shù)據(jù)通信。文件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器。
2 嵌入式文件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
文件系統(tǒng)的管理是通過(guò)把它所管理的信息組織成文件形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。文件是具有名稱(chēng)的相關(guān)信息元素的序列。從用戶(hù)角度看，文件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了按名存儲(chǔ)；從系統(tǒng)管理的角度看，它主要實(shí)現(xiàn)了文件存儲(chǔ)器的空間組織及分配、文件信息的存儲(chǔ)以及文件的保護(hù)及檢索。文件系統(tǒng)要借助于組織良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來(lái)有效地對(duì)文件信息進(jìn)行管理，使用戶(hù)更方便地存儲(chǔ)信息。文件系統(tǒng)對(duì)于底層硬件的特性一般并不關(guān)心，只提供簡(jiǎn)單且標(biāo)準(zhǔn)的接口。
2．1 文件系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
根據(jù)Flash芯片的特性，為了最快捷地實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的讀取，本文件系統(tǒng)采用單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，利用鏈接頁(yè)的方法管理Flash的存儲(chǔ)空間。文件系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在Flash存儲(chǔ)器中，文件系統(tǒng)分為3部分：文件系統(tǒng)信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，F(xiàn)CB)和數(shù)據(jù)區(qū)(Data Area，DA)。
文件系統(tǒng)信息表(FAT)用于存放文件系統(tǒng)的信息和屬性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含F(xiàn)AT的有效性標(biāo)志、文件總數(shù)、第一個(gè)文件控制塊的扇區(qū)號(hào)及其在存儲(chǔ)器中的地址，以及當(dāng)前FAT在存儲(chǔ)器中的地址。
文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態(tài)信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件名(11字節(jié)之內(nèi))、文件首簇所在的扇區(qū)號(hào)、文件長(zhǎng)度、文件屬性、文件創(chuàng)建時(shí)間、下一個(gè)FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標(biāo)志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。
文件句柄(File_Handle)是存放在內(nèi)存中的，表示文件的動(dòng)態(tài)信息。當(dāng)用戶(hù)打開(kāi)或創(chuàng)建文件時(shí)，會(huì)在內(nèi)存中申請(qǐng)一個(gè)文件句柄。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件句柄標(biāo)示號(hào)、文件句柄狀態(tài)、文件名、文件首簇號(hào)、首簇所在的扇區(qū)號(hào)、當(dāng)前簇號(hào)、文件指針、文件長(zhǎng)度以及文件的FCB地址。
操作系統(tǒng)中將相鄰的扇區(qū)組合在一起，形成一個(gè)簇，然后再對(duì)簇進(jìn)行管理。顯然，簇是操作系統(tǒng)所使用的邏輯概念，而非磁盤(pán)的物理特性。為了更好地管理磁盤(pán)空間和更高效地從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)簇中只能放置一個(gè)文件的內(nèi)容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數(shù)倍。本文設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)簇的大小為存儲(chǔ)器的一個(gè)頁(yè)。
2．2 文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
如圖3所示，文件系統(tǒng)對(duì)外接口函數(shù)為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序通過(guò)文件系統(tǒng)對(duì)外接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)文件操作和設(shè)備管理功能，隱藏了文件系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。位于下層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，提供了文件數(shù)據(jù)在設(shè)備上的存取操作接口。
3 嵌入式文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)
文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理以及對(duì)存儲(chǔ)器空間的平均使用，文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括文件系統(tǒng)對(duì)外接口函數(shù)和底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。
3．1 文件系統(tǒng)對(duì)外接口函數(shù)
調(diào)用文件系統(tǒng)的對(duì)外接口函數(shù)是應(yīng)用程序使用文件系統(tǒng)的唯一途徑，其接口的規(guī)范性、易用性、功能性關(guān)系到文件系統(tǒng)的開(kāi)放型和用戶(hù)對(duì)文件系統(tǒng)的接受程度。文件系統(tǒng)提供的對(duì)外接口函數(shù)如表1所列。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用這些接口函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的管理和操作。
3．2 文件系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序
文件底層驅(qū)動(dòng)為文件系統(tǒng)的對(duì)外接口函數(shù)服務(wù)，包括文件系統(tǒng)信息表的讀寫(xiě)、文件控制塊的讀寫(xiě)、文件句柄的讀寫(xiě)以及各類(lèi)簇的相關(guān)操作等。文件系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表2所列。
上述文件系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)中，凈簇的申請(qǐng)函數(shù)(unsigned long app_clus(void))直接影響到對(duì)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)區(qū)域的使用分配。該函數(shù)的流程體現(xiàn)了對(duì)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)區(qū)域的使用次數(shù)的平均分配。
函數(shù)功能描述：申請(qǐng)一個(gè)凈簇。
入口參數(shù)：無(wú)。
出口參數(shù)：<0x100000，申請(qǐng)到凈簇的頁(yè)地址；NO_CLEAN_SECTOR，沒(méi)有干凈的存儲(chǔ)空間。
該函數(shù)的流程如圖4所示，程序從存儲(chǔ)區(qū)的第一頁(yè)開(kāi)始到最后一頁(yè)申請(qǐng)一個(gè)凈簇，若成功，返回簇地址；若失敗，則進(jìn)行臟簇的清理，然后從清理過(guò)的存儲(chǔ)區(qū)中再申請(qǐng)一個(gè)凈簇，成功則返回簇地址，失敗則進(jìn)行錯(cuò)誤處理，程序結(jié)束。
3．3 Flash設(shè)備驅(qū)動(dòng)
對(duì)文件系統(tǒng)的操作歸根結(jié)底是對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作。文件操作時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槲募到y(tǒng)提供對(duì)存儲(chǔ)器的控制，一般包括讀、寫(xiě)和復(fù)位操作。本文基于Flash芯片AT45DB081存儲(chǔ)器，為文件系統(tǒng)提供表3所列的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。
完成以上的軟硬件設(shè)計(jì)，基于PC機(jī)編寫(xiě)一個(gè)客戶(hù)端測(cè)試軟件，通過(guò)自定的協(xié)議對(duì)文件進(jìn)行操作，下載一個(gè)文件到文件系統(tǒng)，之后讀取比較，從而驗(yàn)證文件系統(tǒng)的正確性。
結(jié)語(yǔ)
本文的方案主要針對(duì)存儲(chǔ)器的耗損均衡控制進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)了Flash存儲(chǔ)器的使用壽命。對(duì)于文件的校錯(cuò)、糾錯(cuò)等其他功能并未詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用單級(jí)目錄，不支持多級(jí)目錄。整個(gè)方案已在由單片機(jī)ATmega128及Flash AT45DB081組成的系統(tǒng)上具體實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證，取得很好的效果。本文件系統(tǒng)在基于Flash存儲(chǔ)器的日志型數(shù)據(jù)采集記錄應(yīng)用中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。