引言

隨著嵌入式處理器計算機能力的不斷提高，32位MPU已成為嵌入式系統應用的主流。本文針對汽車性能記錄儀研發中遇到的數據存儲和數據交換的問題，在ARM9嵌入式處理器和mC/OS-II操作系統基礎上采用SD卡設計開發了一種嵌入式文件系統，該系統具有支持多操作系統、易于移植和存儲速度快的特點。

接口電路設計

硬件平臺的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T內核，主頻可達203MHz，內部具有豐富的系統外圍設備控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS兩種接口模式，本系統采用BUS接口模式。S3C2410A與SD卡讀寫器的接口電路如圖1所示。

SD卡的DAT0~DAT3、CLK(時鐘線)和CMD(命令線)分別連接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引腳。SD卡支持單線和4線讀/寫，前者通過DAT0進行數據串行傳輸，DAT1作為中斷口，最高傳輸速率25Mbps；后者通過DAT0~DAT3分別進行串行數據傳輸，最高傳輸速率100Mbps。

SD卡嵌入式

文件系統設計與實現

整個嵌入式文件系統結構如圖2所示，共分3層，包括SD卡驅動層、FAT16文件系統層和應用層。其中，SD卡驅動層又分為4層：硬件抽象層、SD卡工具函數層、SD卡命令層和SD卡操作函數接口層。SD卡嵌入式文件系統是基于SD卡需要按整塊進行存儲的特性建立起來的，以塊為單位對SD卡進行管理，這樣既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作細節，為應用層開發提供了統一標準的API調用。為了便于與上位機進行數據交換，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系統。下面具體說明各層的實現。

SD卡驅動層

驅動層是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相應寄存器的設置和向SD卡發送命令實現SD卡初始化、讀、寫等操作，目的是為其上層提供相應的功能函數，屏蔽直接對硬件的具體操作。

硬件抽象層

硬件抽象層主要完成對S3C2410A中SD卡控制器相應寄存器的設置，將對SD卡直接控制抽象為對SD卡控制器的操作。

SD卡工具函數層

本層實現CRC校驗，所有的命令(Command)和響應(Response，R3響應除外)使用CRC7校驗，生成多項式為：G(x)=x7+x3+1；數據校驗采用CRC16，生成多項式為：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校驗采用直接編程計算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。

SD卡命令層

本層宏定義了各種命令和響應，實現了向SD卡發送各種命令的函數SD_SendCmd()和讀寫SD卡內部寄存器等功能。SD總線上以位流的方式傳送命令和數據，分別以0和1表示起始和停止。SD卡讀寫時序如圖3所示。

Command發起每個操作，通過CMD線串行傳輸的。SD卡標準定義了兩種命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接發送，所有的ACMD命令在發送前必須先發送CMD55命令， Response是卡對命令的響應，包括R1、R1b、R2、R3四種類型，通過CMD線傳輸。Data block通過DAT數據線傳輸，在寫操作過程中，由DAT0線傳輸busy信號。 

SD卡操作函數接口層

本層目的是為FAT16文件系統層提供所需的SD卡操作函數，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()-讀單塊數據；SD_ReadMultiBlock()-讀多個塊數據；SD_WriteBlock()-向SD卡中寫入一個塊；SD_Write MultiBlock()-向SD卡寫入多塊數據；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的塊。以單塊數據寫為例說明，當SD卡接收到單塊寫命令CMD24后，卡將發送給主機一個應答令牌，并且等待主機發送一個發送數據塊來，當應答R1為0時，說明可以發送數據，塊大小設置為512字節，卡對每個數據塊返回1字節長的應答令牌，當其低5位為00101時，數據塊被正確寫入SD卡。數據塊之后附有CRC校驗，如果校驗失敗，則所傳輸的數據會被丟掉，數據傳輸被終止。

FAT16文件系統層

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

FAT16文件系統的結構

文件系統由4部分組成：系統記錄區(System Record Region)，FAT表區(FAT Region)，文件登記表區(File Register Table Region)，數據區(Data Region)。

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

2. FAT16的文件系統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據并不一定完整地存放在磁盤的一個連續的區域內，往往會分成若干簇，FAT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，每個扇區可以容納16個登記項，每個登記項長32字節，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. 數據區用來存放文件數據，占用大部分磁盤空間，本系統定義其1塊為512字節。

FAT16文件系統的實現

FAT16文件系統向應用層提供的接口有：FormatFAT16()，將卡格式化為FAT16文件系統格式；FreeCluster()，查找自由簇；CreateFile()，創建文件；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。其中創建、讀寫和刪除文件是應用程序使用的主要函數接口，下面對其詳細介紹。

1.文件的創建

在SD卡上創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，首先要根據文件名查找到該文件的目錄登記項，根據目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數據區中第1簇的內容，又可在FAT表中找到第2個簇號，根據第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據。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，不涉及數據區的操作，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層的接口API函數完成對檢測到數據的操作，而不需要考慮使用函數的細節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據存儲部分，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據，裁減了FAT16實現了嵌入式文件系統，上位機可方便的對記錄數據進行綜合分析和備份。該嵌入式文件系統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。