基于μcosII的嵌入式文件系統的設計與實現
發布時間：2010-11-23 19:09
發布者：designer
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1 前言 近年來隨著數碼相機、掃描儀、攝像手機等數碼設備的興起，數字照片成為人們生活中不可缺少的一部分。數碼相框作為一種新興的顯示媒介，以它大容量的存儲相片的能力，良好的顯示效果和多樣的功能正越來越迅速的走進千家萬戶。 隨著國家廣電總局推行電視數字化的進程，數字電視全面鋪開。本項目的開發正是基于這兩種考慮，開發了一種將數碼相框和數字電視相融合的產品。 在這個產品的開發過程中，一個關鍵性的問題就是為MB86H20B數字電視平臺擴展外部存儲的功能。本文中提到的基于μcosII的嵌入式文件系統的解決方案較好的解決了這一問題。 2 嵌入式文件系統硬件連接圖 ISP1160與MB86H20B（簡稱20B）之間的硬件連接圖如圖1，ISP的異步傳輸端口與20B上的UPI（Universal Peripheral InteRFace）接口相連，這是一種可以配置模式和時序的接口。在此采用了IDE模式，按照ISP1160的時序要求對其進行了配置。ISP1160在20B上僅僅映射2個IO地址，一個為數據端口，一個為命令端口，由A0的高低電平區分。 圖1 Decoder與USB Host Controller連接原理圖 ISP1160上的INT引腳連接到20B外部中斷引腳IRQ1。當中斷發生時，20B進入中斷服務程序，讀取ISP1160狀態寄存器。這就構成了ISP1160到20B的數據反饋通路。 3 在U盤上構建FAT32文件系統 FAT32文件系統由三部分構成， 這三部分在邏輯盤上的結構如圖2所示。 圖2 FAT32文件系統結構示意圖 DBR（DOS Boot Record）包含BIOS參數塊和DOS引導程序。在BIOS參數塊中包含了每簇扇區數，保留扇區數，隱含扇區數，每FAT扇區數，根目錄FDT在DATA區的起始位置等重要信息。 DATA區是從U盤根目錄FDT（FAT Directory Table）開始的，在根目錄下用戶可以再創建不同的子目錄或文件，根目錄以及各個子目錄都有自己的FDT ，FDT 定義了文件名、文件大小以及文件存放的起始簇號。通過各子目錄和文件的FDT構成的樹形文件索引結構完成對文件的定位。 物理設備的最小存儲單位是Sector（扇區），在DATA區中最小的存儲單位是Cluster（簇），在U盤的flash上一般由8個Section構成一個Cluster。 由于一個文件往往在DATA區上占用多個簇，FAT32文件系統采用簇鏈的方式索引一個文件所占用的簇鏈。FAT（File Allocate Table）記錄了DATA區哪些簇被使用，當前簇的后繼簇簇號。 4 FAT文件系統的實現 本文件系統的實現，可以分為USB協議棧和FAT32文件系統為主的四大部分。層次結構關系如圖3所示。 圖3 軟件結構模型 4.1 協議層的實現 大容量類設備都可能使用 RBC、SFF-8020i/MMC-2、QIC-157、UFI、SFF-8070i和 SCSI 等 6個命令集。嚴格來說，大容量類主機端的驅動都應全部支持以上指令集，但實際上常見的大容量設備都使用 SCSI 和 UFI 指令集。SCSI 和 UFI 指令集中常用的命令在大容量類協議中都可兼容。 U盤的整個文件系統在主機軟件的協議層抽象為UFI（USB Floppy Interface）設備，通過含有UFI指令的命令塊（Command Block）與U盤通信。這層完成的功能有將文件系統中的操作翻譯為UFI指令，UFI指令打包成命令塊及其對應的逆向操作。 表1 傳輸層API函數實現 4.2 傳輸層的實現 傳輸處理層用于處理命令塊，包括主機傳輸命令塊到大容量類設備、主機與大容量設備之間的數據傳輸和主機接收命令塊處理狀態。大容量類設備傳輸協議分為Bulk-Only協議和 CBI-Only協議。該層為命令層提供了命令塊處理函數的統一接口，使命令層不需理會當前大容量類設備的傳輸協議。 傳輸層接收由協議層包裝好的命令塊，根據已注冊的Mass Storage Class設備的信息，采用單批量（Bulk Only）傳輸模式從批量輸出端點（Bulk Data Out Endpoint）傳輸出去。類似，也可以從批量輸入端點（Bulk Data In Endpoint）接收數據，向上傳遞到協議層解析。 4.3 USB主機協議棧的實現 在U盤連接到USB電纜上后首先為ISP1160注冊一個Root Hub Class，再為U盤注冊一個Mass Storage Class的設備。接著，為了檢測U盤的連接，啟動查詢當前狀態的Host_Serve的任務。當ISP1160 與U盤連接后，ISP1160通過中斷通知20B，20B進入中斷服務程序改變當前狀態。在Host_Serve任務中檢測到狀態的改變，開始USB協議的通信。至此，U盤（USB Mass Storage設備）注冊完成（大容量類相關代碼見程序清單3.1，3.2，表2）。由此以后，FAT32文件系統所要對U盤進行的操作都經過Bulk-Only傳輸完成。 程序清單3.1 大容量設備描述信息數據結構 程序清單2.2 邏輯單元描述信息數據結構 實現的大容量類的API函數如表2所示。 表2 大容量類API函數列表 4.4 此文件系統在μcosII中的移植 FAT32文件系統來源于開源代碼，移植的主要工作是替換消息通訊函數。這些工作完成后，將對File的各種操作包裝成一個OSFile任務，接收應用程序發出的文件操作要求。文件系統的整體結構圖如圖4所示。 圖4 文件系統層次結構 5 性能測試 基于已經實現的方案，進行了詳細的測試。首先，對目錄的創建，目錄的刪除，進入目錄，退出目錄，文件的創建，文件的刪除，文件的讀取，文件的寫入等基本功能進行了測試，均能圓滿完成以上功能。 接下來對比較關鍵的文件讀取功能進行了詳盡的測試。測試所得到的結果完全達到了對數字相片讀取的要求。 表3 不同文件的讀取時間 6 結束語 基于20B的UPI接口實現USB的傳輸，之前沒有可以參考的范例，完全是出于對硬件時序和文件系統的理解設計了整個解決方案。此方案解決了20B芯片上外掛U盤的問題， 從而使20B芯片可以應用于數字相框（Digital Video Frame）領域。 為了讓文件系統能夠更好的適應嵌入式應用的需求，可以對文件系統做出一些優化，盡量做到對flash的寫平衡，提高文件的讀取速度，減少文件系統對CPU和內存資源的占用。 |
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