基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统研究与设计

摘 要：本文针对汽车性能检测仪对数据的存储和交换要求，在S3C2410A处理器和mCOS-II操作系统基础上采用SD卡设计开发了一种嵌入式文件系统。文章首先介绍SD卡的接口电路，接着给出实现本嵌入式文件系统的3层结构，并且对各层的具体实现进行了剖析。

关键词：嵌入式文件系统；SD卡；FAT16 ；S3C2410A

引言

随着嵌入式处理器计算机能力的不断提高，32位MPU已成为嵌入式系统应用的主流。本文针对汽车性能记录仪研发中遇到的数据存储和数据交换的问题，在ARM9嵌入式处理器和mC/OS-II操作系统基础上采用SD卡设计开发了一种嵌入式文件系统，该系统具有支持多操作系统、易于移植和存储速度快的特点。

接口电路设计

硬件平台的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T内核，主频可达203MHz，内部具有丰富的系统外围设备控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用BUS接口模式。S3C2410A与SD卡读写器的接口电路如图1所示。

SD卡的DAT0~DAT3、CLK(时钟线)和CMD(命令线)分别连接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引脚。SD卡支持单线和4线读/写，前者通过DAT0进行数据串行传输，DAT1作为中断口，最高传输速率25Mbps；后者通过DAT0~DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100Mbps。

SD卡嵌入式

文件系统设计与实现

整个嵌入式文件系统结构如图2所示，共分3层，包括SD卡驱动层、FAT16文件系统层和应用层。其中，SD卡驱动层又分为4层：硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD卡操作函数接口层。SD卡嵌入式文件系统是基于SD卡需要按整块进行存储的特性建立起来的，以块为单位对SD卡进行管理，这样既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作细节，为应用层开发提供了统一标准的API调用。为了便于与上位机进行数据交换，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系统。下面具体说明各层的实现。

SD卡驱动层

驱动层是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相应寄存器的设置和向SD卡发送命令实现SD卡初始化、读、写等操作，目的是为其上层提供相应的功能函数，屏蔽直接对硬件的具体操作。

硬件抽象层

硬件抽象层主要完成对S3C2410A中SD卡控制器相应寄存器的设置，将对SD卡直接控制抽象为对SD卡控制器的操作。

SD卡工具函数层

本层实现CRC校验，所有的命令(Command)和响应(Response，R3响应除外)使用CRC7校验，生成多项式为：G(x)=x7+x3+1；数据校验采用CRC16，生成多项式为：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校验采用直接编程计算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。

SD卡命令层

本层宏定义了各种命令和响应，实现了向SD卡发送各种命令的函数SD_SendCmd()和读写SD卡内部寄存器等功能。SD总线上以位流的方式传送命令和数据，分别以0和1表示起始和停止。SD卡读写时序如图3所示。

Command发起每个操作，通过CMD线串行传输的。SD卡标准定义了两种命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接发送，所有的ACMD命令在发送前必须先发送CMD55命令， Response是卡对命令的响应，包括R1、R1b、R2、R3四种类型，通过CMD线传输。Data block通过DAT数据线传输，在写操作过程中，由DAT0线传输busy信号。

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SD卡操作函数接口层

本层目的是为FAT16文件系统层提供所需的SD卡操作函数，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-获得SD卡信息；SD_CalTimeout()-计算读/写/擦超时时间；SD_ReadBlock()-读单块数据；SD_ReadMultiBlock()-读多个块数据；SD_WriteBlock()-向SD卡中写入一个块；SD_Write MultiBlock()-向SD卡写入多块数据；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的块。以单块数据写为例说明，当SD卡接收到单块写命令CMD24后，卡将发送给主机一个应答令牌，并且等待主机发送一个发送数据块来，当应答R1为0时，说明可以发送数据，块大小设置为512字节，卡对每个数据块返回1字节长的应答令牌，当其低5位为00101时，数据块被正确写入SD卡。数据块之后附有CRC校验，如果校验失败，则所传输的数据会被丢掉，数据传输被终止。

FAT16文件系统层

文件系统层向应用层提供了对文件和目录进行操作的API接口函数。要使写入SD卡的数据在装有Windows或Linux操作系统的上位机中得到正确访问，需要在SD卡上创建它们支持的文件系统，考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性和SD卡的应用规模，选择了建立FAT16文件系统。

FAT16文件系统的结构

文件系统由4部分组成：系统记录区(System Record Region)，FAT表区(FAT Region)，文件登记表区(File Register Table Region)，数据区(Data Region)。

1. 系统记录区通常包含4块内容：BIOS参数记录块BPB(BIOS Parameter Block)，磁盘标志记录表，分区引导记录代码区和结束标志0x55AA。BPB表从扇区字节位移0x0b开始,占25字节。

2. FAT16的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。文件在磁盘上以簇为单位存储,但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接信息的，这就是文件的链式存储。FAT16文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理216个基本存储单元。

3. 文件目录表FDT固定占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每个登记项长32字节，记录了每个文件的代号、长度、属性、目录、生成和最后修改的时间以及文件的存储链在文件分配表中的入口。

4. 数据区用来存放文件数据，占用大部分磁盘空间，本系统定义其1块为512字节。

FAT16文件系统的实现

FAT16文件系统向应用层提供的接口有：FormatFAT16()，将卡格式化为FAT16文件系统格式；FreeCluster()，查找自由簇；CreateFile()，创建文件；OpenFile()，打开文件；WriteFile()，写文件；ReadFile()，读文件；CloseFile()，关闭打开文件；DelFile()，删除文件。其中创建、读写和删除文件是应用程序使用的主要函数接口，下面对其详细介绍。

1.文件的创建
在SD卡上创建文件或目录的过程就是在文件目录表FDT中申请登记项的过程，流程图如图4所示。登记项中包括文件名、文件长度和起始簇号等内容。

2.文件的读/写
SD卡上文件都是以簇为单位存取的。读SD卡上的文件，首先要根据文件名查找到该文件的目录登记项，根据目录登记项中的起始簇号既可找到文件在数据区中第1簇的内容，又可在FAT表中找到第2个簇号，根据第2个簇号又能找到第2簇的内容和FAT 表中的第3个簇号，以此类推，可读取到全部文件数据。向SD卡写文件，要保证FAT1和FAT2中内容的一致性，即对两块都要进行同样的写操作。

3.文件的删除
删除文件时，不涉及数据区的操作，只须在文件的目录登记项上作一个删除标记，并把文件在FAT表中所占用的簇标记为“空簇”。

应用程序层

该层直接使用文件系统层的接口API函数完成对检测到数据的操作，而不需要考虑使用函数的细节问题以及底层硬件的相关问题。

结语

本设计作为汽车性能记录议的数据存储部分，采用大容量、小体积、性价比高的存储介质SD卡来存储长时间段的检测数据，裁减了FAT16实现了嵌入式文件系统，上位机可方便的对记录数据进行综合分析和备份。该嵌入式文件系统的分层结构使得只需对底层驱动进行简单修改就可移植到CF卡、闪存等其它的存储介质上。■