基于μcosII的嵌入式文件系统的设计与实现

1  前言
    近年来随着数码相机、扫描仪、摄像手机等数码设备的兴起，数字照片成为人们生活中不可缺少的一部分。数码相框作为一种新兴的显示媒介，以它大容量的存储相片的能力，良好的显示效果和多样的功能正越来越迅速的走进千家万户。
    随着国家广电总局推行电视数字化的进程，数字电视全面铺开。本项目的开发正是基于这两种考虑，开发了一种将数码相框和数字电视相融合的产品。
    在这个产品的开发过程中，一个关键性的问题就是为MB86H20B数字电视平台扩展外部存储的功能。本文中提到的基于μcosII的嵌入式文件系统的解决方案较好的解决了这一问题。
2  嵌入式文件系统硬件连接图

图1  Decoder与USB Host Controller连接原理图
    ISP1160与MB86H20B（简称20B）之间的硬件连接图如图1，ISP的异步传输端口与20B上的UPI（Universal Peripheral Interface）接口相连，这是一种可以配置模式和时序的接口。在此采用了IDE模式，按照ISP1160的时序要求对其进行了配置。ISP1160在20B上仅仅映射2个IO地址，一个为数据端口，一个为命令端口，由A0的高低电平区分[3]。
    ISP1160上的INT引脚连接到20B外部中断引脚IRQ1。当中断发生时，20B进入中断服务程序，读取ISP1160状态寄存器。这就构成了ISP1160到20B的数据反馈通路。
3  在U盘上构建FAT32文件系统
    FAT32文件系统由三部分构成， 这三部分在逻辑盘上的结构如图2[1]所示。

图2  FAT32文件系统结构示意图
    DBR（DOS Boot Record）包含BIOS参数块和DOS引导程序。在BIOS参数块中包含了每簇扇区数，保留扇区数，隐含扇区数，每FAT扇区数，根目录FDT在DATA区的起始位置等重要信息。
    DATA区是从U盘根目录FDT（FAT Directory Table）开始的，在根目录下用户可以再创建不同的子目录或文件，根目录以及各个子目录都有自己的FDT ，FDT 定义了文件名、文件大小以及文件存放的起始簇号。通过各子目录和文件的FDT构成的树形文件索引结构完成对文件的定位。
    物理设备的最小存储单位是Sector（扇区），在DATA区中最小的存储单位是Cluster（簇），在U盘的flash上一般由8个Section构成一个Cluster。
    由于一个文件往往在DATA区上占用多个簇，FAT32文件系统采用簇链的方式索引一个文件所占用的簇链。FAT（File Allocate Table）记录了DATA区哪些簇被使用，当前簇的后继簇簇号[1]。 
4  FAT文件系统的实现
    本文件系统的实现，可以分为USB协议栈和FAT32文件系统为主的四大部分[4]。层次结构关系如图3所示。
4.1  协议层的实现
    大容量类设备都可能使用 RBC、SFF-8020i/MMC-2、QIC-157、UFI、SFF-8070i和 SCSI 等 6个命令集。严格来说，大容量类主机端的驱动都应全部支持以上指令集，但实际上常见的大容量设备都使用 SCSI 和 UFI 指令集。SCSI 和 UFI 指令集中常用的命令在大容量类协议中都可兼容。

图3  软件结构模型[!--empirenews.page--]
    U盘的整个文件系统在主机软件的协议层抽象为UFI（USB Floppy Interface）设备，通过含有UFI指令的命令块（Command Block）与U盘通信[5]。这层完成的功能有将文件系统中的操作翻译为UFI指令，UFI指令打包成命令块及其对应的逆向操作。
表1  传输层API函数实现

4.2  传输层的实现
    传输处理层用于处理命令块，包括主机传输命令块到大容量类设备、主机与大容量设备之间的数据传输和主机接收命令块处理状态。大容量类设备传输协议分为Bulk-Only协议和 CBI-Only协议。该层为命令层提供了命令块处理函数的统一接口，使命令层不需理会当前大容量类设备的传输协议。
传输层接收由协议层包装好的命令块，根据已注册的Mass Storage Class设备的信息，采用单批量（Bulk Only）传输模式从批量输出端点（Bulk Data Out Endpoint）传输出去。类似，也可以从批量输入端点（Bulk Data In Endpoint）接收数据，向上传递到协议层解析。
4.3  USB主机协议栈的实现
    在U盘连接到USB电缆上后首先为ISP1160注册一个Root Hub Class，再为U盘注册一个Mass Storage Class的设备。接着，为了检测U盘的连接，启动查询当前状态的Host_Serve的任务。当ISP1160 与U盘连接后，ISP1160通过中断通知20B，20B进入中断服务程序改变当前状态。在Host_Serve任务中检测到状态的改变，开始USB协议的通信。至此，U盘（USB Mass Storage设备）注册完成（大容量类相关代码见程序清单3.1，3.2，表2）。由此以后，FAT32文件系统所要对U盘进行的操作都经过Bulk-Only传输完成。
typedef struct MASS_STORAGE_CLASS
    { unsigned char  LUN；/* 该设备的逻辑单元数*/
    struct _HMEDLUN *LUN_infor_ptr[MAX_MASS_LUN]； /*  逻辑单元描述信息结构指针 */ 
    device_instance   *dvi_ptr；     
/*设备信息描述结构指针*/
    endpoint_info  *setup_epi_ptr；   
/*控制端点描述信息结构指针*/ 
    transfer_instance  *tr_bulk_in_ptr；    
/*批量输入传输描述符*/
    transfer_instance  *tr_bulk_out_ptr；   
/*批量输出传输描述符*/
    transfer_instance  *tr_int_in_ptr；  
/*中断输入传输描述符CBI-Only 使用*/
    unsigned char  SubclassCode；    
/*子类代码*/
    unsigned char  ProtocolCode；    
/*传输协议代码CBI或BULK*/ 
    unsigned char  *CBW_BuffPtr；    
/*批量传输的命令包缓冲区指针*/
    unsigned char  RBC_BuffPtr[12]；   
/*命令设置缓冲区*/
}MassStorageClass，*PMassStorageClass；
    程序清单3.1 大容量设备描述信息数据结构
 
typedef struct _HMEDLUN
    { unsigned char LUN；    
//所在大容量设备的逻辑单元号
    MassStorageClass *MSC；    
//大容量设备的描述信息结构
    unsigned char    VendorInfo[8]；   
//厂商信息
    unsigned char    ProductInfo[16]；   
//产品信息
    unsigned char    ProductRev[4]；   
//产品版本
    unsigned int  LastLogicalBlookAddress； 
//最后逻辑块地址
    unsigned int    BlockLengthInBytes；  
//逻辑块长度
    }hMedLUN；
    程序清单2.2 逻辑单元描述信息数据结构[!--empirenews.page--]
    实现的大容量类的API函数如表2所示。
表2  大容量类API函数列表

4.4  此文件系统在μcosII中的移植   
    FAT32文件系统来源于开源代码，移植的主要工作是替换消息通讯函数。这些工作完成后，将对File的各种操作包装成一个OSFile任务，接收应用程序发出的文件操作要求。文件系统的整体结构图如图4所示。

图4  文件系统层次结构[2]
5  性能测试
    基于已经实现的方案，进行了详细的测试。首先，对目录的创建，目录的删除，进入目录，退出目录，文件的创建，文件的删除，文件的读取，文件的写入等基本功能进行了测试，均能圆满完成以上功能。
    接下来对比较关键的文件读取功能进行了详尽的测试。测试所得到的结果完全达到了对数字相片读取的要求。
表3  不同文件的读取时间

6  结束语
    基于20B的UPI接口实现USB的传输，之前没有可以参考的范例，完全是出于对硬件时序和文件系统的理解设计了整个解决方案。此方案解决了20B芯片上外挂U盘的问题， 从而使20B芯片可以应用于数字相框（Digital Video Frame）领域。
    为了让文件系统能够更好的适应嵌入式应用的需求，可以对文件系统做出一些优化，尽量做到对flash的写平衡，提高文件的读取速度，减少文件系统对CPU和内存资源的占用。