基于ARM9和μC／OS-II的SD卡文件系統設計與實現

摘要：主要針對貨車動態稱重系統中大量實時載重數據存取的需求而做的設計。該設計基于ARM9和μC／OS-II相結合的軟硬件平臺，實現了一種SD卡文件系統。SD卡的接口電路采用SD總線模式連接，軟件設計基于嵌入式操作系μC／OS-II，文件系統的實現參照FAT32規范。實際應用表明，該設計能夠滿足大量數據的存取效率以及文件管理的技術指標。
關鍵詞：ARM9；SD卡文件系統；數據存取，μC／OS-II；文件管理

隨著嵌入式式技術的不斷發展，ARM處理器憑借其高性能、廉價、耗能低的優質特性而得到廣泛應用。文中主要針對貨車動態稱重系統中大量實時載重數據存取的需求，在ARM9嵌入式處理器和μC／OS-II操作系統基礎上，設計實現了一種SD卡文件系統。該系統具有實時性強、存取速率高、易維護，易移植等特點。

1 硬件接口電路設計
本系統硬件開發平臺處理器為S3C2440A，是三星公司推出的16／32位RISC微處理器，ARM920T內核，主頻400 MHz，最高可達533 MHz，內部具有豐富的系統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。

SD卡的DAT0～DAT3、CLK(時鐘線)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據傳輸，寬總線數據一次傳4位，數度更快，因此，此設計采用寬總線方式。

2 SD卡文件系統的設計與實現
μC／OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實時多任務小型的嵌入式操作系統，它采用可剝離式內核實施任務調度，實時性很強，而且每個任務具有唯一的優先級，能夠保證就續表中任務優先級最高的任務優先執行。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架的微處理器上。

為了增強軟件的可移植性，易維護性，程序設計時采用層次化，模塊化設計。模塊化結構如圖2所示，除了用來進行管理的操作系統外，共分為4個模塊，包括SD卡底層驅動，文件系統，API接口，用戶應用程序。底層驅動完成SD卡初始化，以及實質上的讀寫功能；文件系統采用PC機普遍支持的FAT32文件系統規范來設計，完成文件的創建，讀寫，刪除功能；API接口封裝文件系統提供的函數，供上層應用使用；用戶應用程序通過調用文件系統提供的API函數，完成相應的功能。各個模塊的具體實現下面會做以說明。
2．1 底層驅動設計
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卡發送命令并讀取命令的響應來實現對SD卡的控制。在SD卡讀寫之前，首先要進行初始化操作。這是確保SD卡能進行正常數據讀寫的前提，SD卡初始化完成了SD卡上電，確認，設置邏輯地址，使其進入傳輸狀態以及設置總線帶寬幾大主要工作。需要注意的是，在發送使SD卡空閑命令CMD0之前至少等待74個時鐘，確保SD卡進入SD總線模式。SD卡初始化代碼編寫如下：


2．1．2 SD卡讀寫實現
初始化完戚之后，就可對SD卡進行讀寫操作，通過設置SDI數據控制寄存器SDIDCON來確定SD卡的讀寫長度，讀操作時數據長度作沒有明確限制，寫操作時，每次寫的長度必須為BLOCK的倍數。SD卡的讀寫可以一次性讀寫單塊數據，也可以一次性讀寫多塊數據，多塊數據的讀寫結束時，要發送CMD12結束指令。主要實現函數：Write_Card_Block()-寫入單塊數據；Write_Card_Data()-寫入多塊數據；Read_Card_Block()-讀多塊數據；Read_Card-Data()-讀多塊數據。
2．2 文件系統設計
2．2．1 FAT32文件系統概述
Windows95 OSR2和Windows 98開始支持FAT32文件系統，它是對早期DOS的FAT文件系統的增強，由于文件系統的核心一文件分配表FAT擴充為32位，所以稱為FAT32文件系統。FAT32包含DBR、保留扇區、FAT1、FAT2(第一個FAT的備份)、根目錄、數據區5部分。DBR(Dos Boot Rec ord)是操作系統引導記錄區；保留扇區是為了對DBR作備份或留待以后升級時用；文件分配表區共保存了兩個相同的FAT表，文件所占用的存儲空間(簇鏈)及空閑空間的管理都是通過FAT實現的；FAT32根目錄區(ROOT區)不再是固定區域、固定大小，可看作是數據區的一部分；數據區用來存放真正要記錄的文件數據，本系統定義的一簇為4K個字節。
2．2．2 文件系統初始化
文件系統初始主要是讀取SD卡的DBR扇區(0扇區)，并分析該扇區內容，從而獲取每扇區字節數，每簇扇區數，FAT開始扇區號，根目錄開始扇區號等關鍵信息，為文件的創建，讀寫等操作做準備，文件系統初始化函數代碼如下：

2．2．3 文件創建
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，為此程序設計時定義了如下結構體：


在文件目錄項FDT中申請登記項動作就是通過對上述結構體的操做來完成的，操作流程，也是文件創建流程如圖3所示，當把SD卡插入卡插槽時，系統首先初始化SD卡，即讀取SD卡的DBR扇區(0扇區)獲取相關信息，接下來打開所要創建文件的路徑，如果路徑不存在，創建該路徑，如果存在，搜尋FAT表，找空閑簇。再接下來把要創建的文件的相關信息(文件名，文件大小，創建時間，屬性等)填入上述結構體，把該結構體寫入文件目錄項FDT，相應的扇區寫入數據，最后更新FAT鏈表。文件創建實現函數為FAT32_Creat_File()。

2．2．4 文件讀寫
文件系統對SD卡上文件的管理都是以簇為單位進行的。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FDT中的文件名匹配。如果匹配不成功，說明該文件不存，此時就可以利用函數FAT32_Creat_Flie()創建。如果匹配成功讀就找到了該文件，在匹配成功的那個目錄登記項中找到該文件的起始簇號，知道了該起始簇號，就可以根據FAT表中的簇鏈關系找到到第2簇，第3簇，直到最后一簇文件結束。寫文件時，由于FAT2是FAT1的備份，要保證兩者的一致性，就要對它們做同樣的寫操作。主要的函數有：FAT32_Open_File()-打開文件；FAT32_Read_File()-讀文件；FAT32_Write_File()-寫文件；FAT32_Close_File()-關閉文件。
2．2．5 文件刪除
FAT32文件系統中所謂的刪除實際上只是把文件名稱的第一個字母改成一個特殊字符(在文件目錄登記項上做一個刪除標記)，把文件在FAT表中占用的簇標記為空簇，但文件包含的數據仍在磁盤上，下次將新的文件保存到磁盤時，這些簇可能被新的文件使用，從而覆蓋原來的數據。因此，只要不保存新的文件，被刪除文件的數據實際上仍舊完整無缺地保存在磁盤上。文件刪除函數為：FAT32_DeleteFile()。
2．3 API接口設計
API接口模塊要是向用戶應用程序提供文件的創建讀寫刪除功能，該模塊通過調用文件系統的相關函數來實現。主要的借口函數有：OS_ CreateFile()-創建文件；OS_OpenFile()-打開文件；OS_WriteFile()-文件寫入數據；OS_WriteFile()-讀文件數據；OS_CloseFile()-關閉文件；OS_DeleteFile-刪除文件。
2．4 用戶應用程序設計
該模塊通過直接運用文件系統提供的API接口函數完成對稱重數據信息的操作，只需要對μC／OS-II操作系統直接負責，并不需要考慮文件系統的具體實現問題以及底層硬件驅動問題。

3 結束語
本設計作為貨車車載動態稱重系統的數據存儲模塊，采用容量大、體積小、性價比高的存儲介質SD卡來存儲長時間段的測量數據，對FAT32進行了裁剪，并結合SD卡的底層的讀寫程序，從而實現了嵌入式SD卡文件系統，這樣就能很方便通過上位機對SD卡記錄貨車稱重數據進行查詢，綜合分析以及備份。同時該方法為其它數據采集系統提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數據會以標準文件的格式記錄到SD卡上，便于文件的統一管理。