《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM9和μC/OS-II的SD卡文件系統(tǒng)
王 浩,郭蘭英,惠 飛,賀春峰
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: ARM ARM9 SD卡 μC/OS-II
Abstract:
Key words :

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。

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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。

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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:
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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:
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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:
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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()。

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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
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。

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