嵌入式文件系統(tǒng)介紹

嵌入式文件系統(tǒng)是指嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件存取、管理等功能的模塊，提供一系列文件輸入輸出等文件管理功能，為嵌入式系統(tǒng)和設(shè)備提供文件系統(tǒng)支持。在嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通常需要對(duì)信息進(jìn)行存取操作，當(dāng)任務(wù)運(yùn)行的時(shí)候，任務(wù)可以在其任務(wù)堆棧中存放少量信息，但是存儲(chǔ)量要受到內(nèi)存空間的嚴(yán)格限制，而且在內(nèi)存空間中的信息隨著任務(wù)的退出而消失，不適于存放要長(zhǎng)期保存的信息。另一方面，一些公共信息為多個(gè)任務(wù)所共享，需要這些信息獨(dú)立于具體的任務(wù)而存在。

嵌入式系統(tǒng)和桌面系統(tǒng)一樣，為用戶提供文件系統(tǒng)以方便信息的處理。嵌。入式文件系統(tǒng)以普通桌面操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)，但兩種文件系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和自身的要求又有很大的不同：在普通桌面操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)不僅要管理文件，提供文件系統(tǒng)調(diào)用API，還要管理各種設(shè)備，支持對(duì)設(shè)備和文件操作的一致性。而在嵌入式文件系統(tǒng)中，由于大部分嵌入式系統(tǒng)都是針對(duì)特殊目的定制的，因而對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)功能的模塊化和可裁減性提出了更高的要求。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件往往比桌面計(jì)算機(jī)惡劣的多，在惡劣使用環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性還要得到足夠的保障，通用的文件系統(tǒng)對(duì)于可靠性和文件系統(tǒng)自身的安全性并沒(méi)有特殊的保障機(jī)制，因此無(wú)法保證這些性能。所以，雖然有許多已經(jīng)較為成熟的桌面操作系統(tǒng)下的文件系統(tǒng)，如DOS下的FAT文件系統(tǒng)、WINDOWS NT下的NTFS文件系統(tǒng)以及UNⅨ下的inocde文件系統(tǒng)等，但這些文件系統(tǒng)都不能直接適用于嵌入式系統(tǒng)。要想適用于嵌入式系統(tǒng)，必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。嵌入式文件系統(tǒng)應(yīng)該借鑒成熟的桌面文件系統(tǒng)，并且進(jìn)一步根據(jù)具體的硬件環(huán)境以及應(yīng)用需求來(lái)設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。嵌入式文件系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和各種操作的管理，有著不可替代的作用。

嵌入式文件系統(tǒng)雖然繼承了通用文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，但由于功能和作用與普通桌面操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不同，同時(shí)又有自己的特點(diǎn)：

在嵌入式系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)組成模塊。它是作為系統(tǒng)的一個(gè)可加載選項(xiàng)提供給用戶，由用戶決定是否需要加載它。

需要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、代碼量小的特點(diǎn)，合理地對(duì)文件存儲(chǔ)器進(jìn)行管理。嵌入式系統(tǒng)中的文件存儲(chǔ)器空間相對(duì)不會(huì)太大，必須對(duì)其進(jìn)行高效的管理，以避免對(duì)資源的浪費(fèi)。

使用簡(jiǎn)單便捷。用戶只要知道文件名、文件路徑等簡(jiǎn)單信息特征，就可以方便地對(duì)文件進(jìn)行操作，不必知道文件在具體物理存儲(chǔ)空間的運(yùn)作過(guò)程。

安全可靠。對(duì)文件、數(shù)據(jù)的保護(hù)是文件系統(tǒng)的基本功能。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用通常要求系統(tǒng)必須有較高的可靠性。

支持多種存儲(chǔ)設(shè)備、可伸縮、可剪裁、可移植等特點(diǎn)。嵌入式應(yīng)用的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，其采用的硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)也各不相同。為了適應(yīng)這種差異性，文件系統(tǒng)應(yīng)降低對(duì)具體硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)的依賴，具備良好的可移植性。

為滿足嵌入式環(huán)境中文件系統(tǒng)精準(zhǔn)的提供時(shí)間功能，使存儲(chǔ)在外部介質(zhì)ＳＤ卡中的文件包含創(chuàng)建、修改、訪問(wèn)等詳細(xì)時(shí)間信息，提出采用高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 ＤＳ３２３１為文件系統(tǒng)提供連續(xù)精準(zhǔn)的時(shí)間信息的解決方案。介紹了 ＳＤ 卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)探討了 ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)在嵌入式環(huán)境中的移植方法，設(shè)計(jì)了 ＤＳ３２３１與 Ｃ８０５１Ｆ５００單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)的硬件接口連接，通過(guò)Ｉ２Ｃ總線實(shí)現(xiàn)對(duì) ＤＳ３２３１時(shí)間信息的讀寫。系統(tǒng)測(cè)試表明，ＤＳ３２３１能夠連續(xù)不斷地給嵌入式文件系統(tǒng)提供精準(zhǔn)時(shí)間信息。

DS3231支持I2C總線協(xié)議

DS3231支持雙向I2C總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。I2C總線控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)發(fā)送與接受的設(shè)備稱為主設(shè)備，由主設(shè)備控制的設(shè)備為從設(shè)備。主設(shè)備來(lái)控制產(chǎn)生串行時(shí)鐘SCL，總線訪問(wèn)，以及來(lái)產(chǎn)生START和STOP的條件。［1］

DS3231在I2C總線上是作為從設(shè)備來(lái)工作的，同時(shí)DS3231還支持兩種頻率模式的工作，分別為標(biāo)準(zhǔn)模式（時(shí)鐘頻率100KHz）和快速模式（時(shí)鐘頻率400KHz）。

下面是總線條件：

開(kāi)始條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由高電平變成低電平時(shí)構(gòu)成一個(gè)開(kāi)始條件； 停止條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由低電平變成高電平時(shí)構(gòu)成一個(gè)停止條件； 數(shù)據(jù)傳輸：產(chǎn)生在開(kāi)始條件之后，如果時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，則此時(shí)數(shù)據(jù)線狀態(tài)代表有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘信號(hào)為低電平期間改變。

應(yīng)答：數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進(jìn)行，DS3231在第九個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA置位為低電平，即送出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)被收到。

DS3231在嵌入式環(huán)境文件系統(tǒng)中的應(yīng)用

艦船自動(dòng)舵參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大量的自動(dòng)舵參數(shù)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在外部介質(zhì)ＳＤ卡中。為使存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)可直接在ＰＣ機(jī)上讀取、處理，需要使用文件系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)格式。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對(duì)文件的管理規(guī)則，也是操作系統(tǒng)的重要組成部分，而操作系統(tǒng)對(duì)處理器要求比較高，且占用一定的存儲(chǔ)空間，艦舵參數(shù)采集系統(tǒng)微處理器Ｃ８０５１Ｆ５００沒(méi)有操作系統(tǒng)，這就需要在ＳＤ卡上建立文件系統(tǒng)。而建立文件系統(tǒng)就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)管理數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問(wèn)等詳細(xì)時(shí)間信息。

通常用的單片機(jī)沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件，如果需要此功能就得使用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而一旦系統(tǒng)掉電時(shí)鐘就不能運(yùn)行，嵌入式文件系統(tǒng)就沒(méi)有了時(shí)鐘，這與設(shè)計(jì)要求不相符。高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ＤＳ３２３１不僅能夠在一定溫度范圍內(nèi)提供優(yōu)于２ｍｉｎ／年的計(jì)時(shí)精度，而且包含電池輸入端，斷開(kāi)主電源仍然可以保持精確計(jì)時(shí)。因此，本文提出通過(guò)ＤＳ３２３１時(shí)鐘芯片連續(xù)不斷地給嵌入式文件系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘的方案。

存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ＳＤ卡存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示，Ｃ８０５１Ｆ５００單片機(jī)是主控芯片，通過(guò)ＳＰＩ接口與ＳＤ卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采集的數(shù)據(jù)在ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)管理下，以文件形式存儲(chǔ)于ＳＤ卡中，如．ｔｘｔ、．ｄｏｃ、．ｄａｔ等。

ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

目前常用的文件系統(tǒng)有兩類：基于微軟Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的ＦＡＴ１６、ＦＡＴ３２、ＮＴＦＳ、ｅｘＦＡＴ文件系統(tǒng)；Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)下的ＥＸＴ２、ＥＸＴ３、ＥＸＴ４。Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)使用廣泛，且ＳＤ卡容量比較大，因此這里選用ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)。

ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法可以分為：直接法，分析ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，遵循文件生成機(jī)制，編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)功能；移植法，移植ＦＡＴ文件系統(tǒng)模塊，調(diào)用其提供的應(yīng)用接口函數(shù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)功能。

目前比較流行使用的ＦＡＴ文件系統(tǒng)模塊主要有：周立功公司的ｚｌｇ／ＦＳ、Ｍｉｃｒｉｕｍ公司的μＣ／ＦＳ、Ｓｏｕｒｃｅ－Ｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ網(wǎng)站上發(fā)布的開(kāi)源項(xiàng)目ｅｆｓｌ，以及日本電子愛(ài)好者設(shè)計(jì)并維護(hù)的ＦＡＴＦＳ文件系統(tǒng)模塊。以上４個(gè)文件系統(tǒng)模塊各有特點(diǎn)：ｚｌｇ／ＦＳ因讀寫速率較慢，主要用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Ｍｉｃｒｉｕｍ公司的μＣ／ＦＳ一般在商業(yè)上使用；ｅｆｓｌ及ＦＡＴＦＳ都是免費(fèi)開(kāi)源軟件，ＦＡＴＦＳ相對(duì)成熟一些。

本文采用了移植ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ方法，ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的Ｃ語(yǔ)言編程，具備良好的硬件平***立性，移植到８０５１、ＡＶＲ等單片機(jī)上，只需簡(jiǎn)單修改。它還支持ＦＡＴ１２、ＦＡＴ１６和ＦＡＴ３２，以及多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀／寫。ＦＡＴＦＳ整體框架如圖２所示。

頂層是應(yīng)用層，調(diào)用ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ提供的一系列ＡＰＩ函數(shù)（如：ｆ＿ｏｐｅｎ、ｆ＿ｒｅａｄ、ｆ＿ｗｒｉｔｅ、ｆ＿ｃｌｏｓｅ等），用戶即使不理解ＦＡＴ協(xié)議，也可以利用應(yīng)用接口函數(shù)輕松地讀／寫文件；中間層完整地實(shí)現(xiàn)ＦＡＴ文件讀／寫協(xié)議，用戶無(wú)需對(duì)此進(jìn)行任何修改；底層是用戶在移植過(guò)程中需要處理的接口，需要用戶編寫代碼，它包括存儲(chǔ)介質(zhì)的讀／寫接口ＤｉｓｋＩ／Ｏ和文件創(chuàng)建修改時(shí)間所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

嵌入式文件系統(tǒng)的移植可以分為３步：編寫ＳＤ卡的通信函數(shù)，編寫ＲＴＣ時(shí)鐘函數(shù)和ＦＡＴＦＳ的移植。

編寫ＲＴＣ時(shí)鐘函數(shù)實(shí)際上就是給文件系統(tǒng)時(shí)鐘函數(shù)ＤＷＯＲＤｇｅｔ＿ｆａｔｔｉｍｅ（Ｖｏｉｄ）賦值，連續(xù)提供給文件系統(tǒng)一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。ＤＷＯＲＤｇｅｔ＿ｆａｔｔｉｍｅ（Ｖｏｉｄ）需要ＲＴＣ函數(shù)支持，返回一個(gè)３２位無(wú)符號(hào)整數(shù)，時(shí)鐘信息包含在這３２位中，如圖３所示。