MC9S12UF32的嵌入式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

摘要：隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)需要具備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和分析的功能，對(duì)于數(shù)據(jù)靈活性和通用性的要求也隨之提高。本文基于MC9S12UF32設(shè)計(jì)了一款使用FAT文件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。詳細(xì)介紹了該模塊的軟、硬件構(gòu)架，并給出了開放源代碼的文件系統(tǒng)FatFs軟件包的移植與使用方法。

引言
??? 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)簡單地對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)按地址、字節(jié)進(jìn)行讀寫的方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，利用文件系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行管理成為嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。雖然目前存在很多版本的文件系統(tǒng)，但windows的廣泛應(yīng)用使得FAT文件系統(tǒng)仍然是最通用的文件系統(tǒng)之一。本文中基于MC9S12UF32單片機(jī)，結(jié)合開源文件系統(tǒng)FatFS，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用FAT文件系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)框架如圖1所示。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以Freescale公司的MC9S12UF32為核心，串行通信接口SCI接收到的數(shù)據(jù)可以直接通過單片機(jī)以FAT文件的形式存儲(chǔ)在micro SD卡中。用戶程序可以通過編程控制單片機(jī)，直接對(duì)micro SD卡中的任意文件進(jìn)行讀寫，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于實(shí)現(xiàn)了FAT文件系統(tǒng)，用戶也可以通過單片機(jī)內(nèi)置的USB接口將本數(shù)據(jù)模塊識(shí)別為U盤，用PC機(jī)進(jìn)行讀寫操作。此外，模塊中的SD卡也可以取出，使用標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器可在任何PC機(jī)上讀出。

2 硬件結(jié)構(gòu)及底層函數(shù)的編寫
??? 本文所介紹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)插件由MC9S12UF32、DSl2887實(shí)時(shí)鐘模塊、micro SD卡、串行通信接口以及USB接口5部分組成。實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的文件系統(tǒng)提供正確的時(shí)間戳信息，在精簡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這個(gè)部分則可以省略。
2．1 MC9S12UF32單片機(jī)
??? Freescale公司生產(chǎn)的這款16位單片機(jī)具有3．5 KBRAM和32 KB Flash EEPROM。它最大的特點(diǎn)在于擁有USB2．O接口、ATA5接口以及SD／MMC、SmartMedia、MemoryStick等多種存儲(chǔ)卡接口。本文所介紹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)插件采用MC9S12UF32單片機(jī)內(nèi)部集成的SD主控制器模塊(SDHC)實(shí)現(xiàn)micro SD卡的底層讀寫。
??? (1)SDHC模塊
??? SDl．O規(guī)范協(xié)議中定義了對(duì)SD卡的兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。使用SDHC(Secured Digital cardHost Controller)模塊對(duì)SD卡讀寫采用了SD模式。該模塊將SD總線轉(zhuǎn)換為MC9S12UF32內(nèi)部的IPBus總線或者IQUE總線，使用者只需要對(duì)SDHC模塊相關(guān)的寄存器進(jìn)行配置，就可以實(shí)現(xiàn)向SD卡發(fā)送各種命令和讀寫數(shù)據(jù)的功能。SD卡與SDHC的連接如圖2所示。

MC9S12UF32內(nèi)部集成的SDHC模塊支持SD卡1．O版本的物理層協(xié)議，所以本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)microSD卡(而非SDHC卡)，其存儲(chǔ)容量最大為2 GB。這樣的存儲(chǔ)容量已經(jīng)完全可以滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用的需求。

??? (2)MC9S12UF32與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸
??? 在完成對(duì)時(shí)鐘頻率和傳輸數(shù)據(jù)線寬度的配置之后，通過發(fā)送相應(yīng)的讀寫命令就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸了。在單片機(jī)向SD卡寫入數(shù)據(jù)的過程中，編程者將需要寫入的數(shù)據(jù)寫入SDHC模塊的SDATA寄存器(16位)之后，該數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)移至發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO中。與此同時(shí)，只要發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO非空，其中的數(shù)據(jù)就會(huì)不斷地通過數(shù)據(jù)線被寫入SD卡的相應(yīng)位置。在單片機(jī)從SD卡中讀取數(shù)據(jù)的過程中，SD卡中的數(shù)據(jù)將不斷發(fā)送至接收數(shù)據(jù)FIFO中。只要接收FIFO非空，單片機(jī)就可以不斷地通過讀SDATA寄存器得到接收數(shù)據(jù)FIFO中的數(shù)據(jù)。
2．2 DSl2887實(shí)時(shí)鐘模塊
??? DSl2887模塊使用數(shù)據(jù)／地址復(fù)用的并行異步總線，可以為單片機(jī)提供100年以內(nèi)的實(shí)時(shí)鐘信息(年／月／日／時(shí)／分／秒)。它內(nèi)部具有石英晶振和鋰電源，首次使用時(shí)，需要對(duì)該模塊內(nèi)部的寄存器進(jìn)行相應(yīng)配置，激活晶振使其進(jìn)入工作狀態(tài)。由于DSl2887內(nèi)部帶有鋰電源，所以一旦晶振被激活，即使外部掉電，該模塊依然可以保存并提供正確的實(shí)時(shí)鐘信息。
??? 設(shè)定DSl2887的時(shí)間和從DSl2887中讀取時(shí)間信息的底層程序比較簡單，只需參照芯片手冊(cè)對(duì)寄存器進(jìn)行合理配置。但是，需要特別注意的是，在寫時(shí)鐘和讀取時(shí)鐘之前需要鎖存時(shí)鐘信息相關(guān)的buffer，防止在讀寫過程中由于出現(xiàn)時(shí)鐘信息自動(dòng)更新情況而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。系統(tǒng)中，在每次讀寫實(shí)時(shí)鐘之前，查詢DSl2887內(nèi)部控制寄存器A最高位UIP是否為O，以避免上述錯(cuò)誤的產(chǎn)生。因?yàn)樾酒謨?cè)中給出，一旦UIP=O，那么在244μs內(nèi)實(shí)時(shí)鐘模塊都不會(huì)自動(dòng)更新當(dāng)前的時(shí)鐘信息，而這段時(shí)間足以讓單片機(jī)完成讀寫實(shí)時(shí)鐘的過程。

3 FatFS文件系統(tǒng)的移植與配置
3．1 FatFS軟件包簡介
??? 采用文件系統(tǒng)，是為了在單片機(jī)能夠?qū)D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的同時(shí)，保證其讀寫的數(shù)據(jù)能夠被大多數(shù)通用設(shè)備識(shí)別。換言之，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器內(nèi)的組織型式，需要遵循一些已有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。例如使用FAT文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的SD卡取下來后，可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器在windows、Linux等PC機(jī)上讀出。
??? 當(dāng)前著名的嵌入式文件系統(tǒng)有若干種選擇，比如EFSL(Embedded Filesystem Library)、uC／FS、／TinyFatFS等。這之中EFSL和FatFs都是開放源碼的，具有十分詳盡的文檔和函數(shù)手冊(cè)，除錯(cuò)更新也十分及時(shí)，在本文的設(shè)計(jì)中我們采用的是FatFS。
??? FatFS采用使用ANSI C編寫，具有很好的硬件平***立性，使用者只需要對(duì)源程序進(jìn)行簡單的修改和配置，就可以將其移植到各種系列的單片機(jī)上。此外，它的內(nèi)存開銷很小，ROM的占有量在十幾KB的量級(jí)，使用者可以根據(jù)不同的應(yīng)用方便的對(duì)代碼進(jìn)行裁減。FatFS支持FATl2、FATl6和FAT32，可以建立獨(dú)立的緩沖區(qū)對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀寫。FatFs是一個(gè)不斷更新完善的軟件，大量的相關(guān)信息可以從原作者的主頁上得到(http：／／elm-chan．org／fsw／ff／00index_e．html)，同時(shí)原作者也做了很多性能測(cè)試的工作。
3．2 FatFS的移植
??? 可從FatFS的主頁上下載得到FatFS R0．07版本。FatFS的主程序包含5個(gè)文件，即diskio．c、diskio．h、ff．c、ff．h和integer．h。其中，diskio．c和diskio．h是與底層硬件I／O相關(guān)的函數(shù)；ff．c和ff．h是應(yīng)用函數(shù)，主要涉及FatFS的配置和裁減；而integer．h中定義了FatFS軟件所使用的各種數(shù)據(jù)類型。
??? 移植FatFS的過程中基本不需要對(duì)diskio．h和ff．c進(jìn)行修改。除了核實(shí)integer．h中的數(shù)據(jù)類型定義是否與MC9S12U32數(shù)據(jù)類型相符之外，移植的重點(diǎn)工作在于diskio．c中6個(gè)主要函數(shù)的實(shí)現(xiàn)和ff．h中對(duì)于文件系統(tǒng)的裁減配置。dikio．c包含的6個(gè)接口函數(shù)：disk_initial-ize，disk status，disk ioctl，disk read，disk write和disk_fattime。它們分別實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)介質(zhì)的初始化、讀取／寫入若干個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)和獲取實(shí)時(shí)鐘信息的功能。

??? 具體移植過程如下：
??? (1)存儲(chǔ)媒介初始化函數(shù)
??? DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)
??? 由于采用的存儲(chǔ)媒介是SD卡，所以該函數(shù)的實(shí)際功能是對(duì)SD卡進(jìn)行初始化。drv是存儲(chǔ)介質(zhì)號(hào)碼，由于Tiny-FatFS只支持一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，所以此處drv始終取O值。執(zhí)行無誤，則返回值=O；執(zhí)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回非O值。
??? (2)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)
??? DSTATUS disk_status(BYTE drv)
??? 該函數(shù)用于檢測(cè)是否支持當(dāng)前的存儲(chǔ)介質(zhì)。此處的drv仍然恒為O。對(duì)Tiny-FatFS而言，只要drv為O，就認(rèn)為支持當(dāng)前介質(zhì)，函數(shù)直接返回O值即可。
??? (3)讀扇區(qū)函數(shù)
??? DRESULT disk read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD seetor，BYTE．count)
??? 該函數(shù)是在“單片機(jī)從SD卡讀取一個(gè)扇區(qū)”的函數(shù)基礎(chǔ)上編寫而成的，其功能是從SD卡讀取一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。*buff用于存儲(chǔ)已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)，sector是待讀取扇區(qū)的起始扇區(qū)數(shù)，count是需要讀取的扇區(qū)數(shù)。如果執(zhí)行無誤則返回O值，否則返回非O值。
??? (4)寫扇區(qū)函數(shù)
??? DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff。DWORD sector，BYTE count)
??? 與disk_read相似，該函數(shù)是在“單片機(jī)向SD卡寫入一個(gè)扇區(qū)”的函數(shù)基礎(chǔ)上編寫而成的，其功能是向SD卡導(dǎo)入一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。*buff用于保存將要寫入的數(shù)據(jù)，sector是待寫入扇區(qū)的起始扇區(qū)數(shù)，count是需要寫入的扇區(qū)數(shù)。如果執(zhí)行無誤，則返回0值；否則，返回非0值。
??? (5)存儲(chǔ)介質(zhì)控制函數(shù)
??? DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)
??? ctrl是控制代碼，*buff用于保存或接收需要控制的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。使用者可以在此函數(shù)里添加自己需要的功能代碼，例如獲得存儲(chǔ)介質(zhì)的容量、扇區(qū)數(shù)等。如果是簡單的應(yīng)用，也可以不執(zhí)行任何功能，直接返回0值。本文采用的就是這一方法。
??? (6)實(shí)時(shí)鐘函數(shù)
??? DWORD disk_fattime(Void)
??? 該函數(shù)將讀取的實(shí)時(shí)鐘信息保存在一個(gè)32位無符號(hào)整數(shù)中，并將其作為函數(shù)的返回值。時(shí)鐘信息在這32位中的具體分布如表1所列。

3．3 FatFS的裁減與配置Tiny-FatFS
??? FatFs提供了豐富的庫函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、讀取文件夾，創(chuàng)建、讀寫文件，移動(dòng)文件指針，向文件中寫入或讀取字符串，甚至是類似與C語言fprintf()的格式化輸入等各種功能。使用者可以根據(jù)自己的需求設(shè)置相應(yīng)的宏，對(duì)FatFs進(jìn)行裁減，僅保留需要的功能函數(shù)，從而精簡文件系統(tǒng)的內(nèi)存開銷。FatFS提供的函數(shù)與宏的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

??? FatFS的裁減，不僅僅是函數(shù)層面的。更重要的是，在內(nèi)部機(jī)制上形成一個(gè)精簡版本，稱為Tiny-FatFS。它與標(biāo)準(zhǔn)版FatFS相比，主要的區(qū)別在于Tiny-FatFS僅支持一個(gè)物理存儲(chǔ)介質(zhì)，而且不再針對(duì)每個(gè)開啟的文件建立512字節(jié)的緩存，整個(gè)文件系統(tǒng)和物理介質(zhì)使用同一個(gè)緩存。顯然，Tiny-FatFs需要的內(nèi)存開銷比標(biāo)準(zhǔn)版FatFS更低，只要1 KB左右的RAM。可以說，Tinyr-FatFS是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)模塊。本文介紹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)使用的正是Tiny-FatFS版本。

??? 在表2中，對(duì)ff．h中主要配置宏的含義進(jìn)行了說明，同時(shí)給出了本文所介紹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用的取值。

4 FatFS文件系統(tǒng)的使用
??? FatFS文件系統(tǒng)中涉及2個(gè)基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：文件系統(tǒng)(磁盤)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FATFS和文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FIL。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)是FatFS軟件主要的RAM開銷，F(xiàn)ATFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有針對(duì)磁盤的512字節(jié)讀寫緩存，F(xiàn)IL則有針對(duì)每個(gè)文件的緩存。而采用Tiny FatFS配置則不會(huì)開設(shè)文件讀寫緩存，節(jié)約RAM。
??? 依次使用f_mount、f_open、f_rcad／f_write、f_close可以完成基本的讀寫。FatFS允許對(duì)同一文件同時(shí)復(fù)數(shù)讀取，但完全不支持對(duì)同一文件同時(shí)復(fù)數(shù)的寫入操作，因?yàn)檫@會(huì)引起文件系統(tǒng)錯(cuò)誤。具體每一個(gè)函數(shù)，特別是字符串讀寫、格式化讀寫等，可以參見原始幫助和例程。
??? 此外，由于嵌入式系統(tǒng)具有突然掉電的可能性，一些關(guān)鍵代碼段可能導(dǎo)致文件系統(tǒng)錯(cuò)誤，所以要注意調(diào)用f_sync()及時(shí)寫入。當(dāng)然，如果是一組連續(xù)的f_write()寫入，而每次寫完都f_sync()，則會(huì)極大地影響速度，可以全部寫完后f_sync()。
??? V0．07以后版本的FatFS，增加了以下新的功能：
??? ①_FS_TINY。Tiny模式變成了一個(gè)宏選項(xiàng)，而不是獨(dú)立的代碼包。
??? ②_FS_RPATH。決定是否有當(dāng)前路徑的概念，這將影響兩個(gè)相關(guān)函數(shù)的參數(shù)。
??? ③_USE_LFN。啟用長文件名支持，可為1或2，為2時(shí)可重入。由于長文件名存在堆棧上，而且啟用LFN會(huì)依據(jù)代碼頁增加一個(gè)很大的轉(zhuǎn)換表，占掉幾十～幾百KB，所以不推薦。
??? ④_LFN_UNICODE。長文件名使用Unicode，實(shí)驗(yàn)階段，尚未正式寫入文檔。

結(jié)語
??? MC9S12UF32單片機(jī)內(nèi)部集成的SDHC模塊，可將SD總線轉(zhuǎn)換為單片機(jī)內(nèi)部的IP總線，開發(fā)者只需要對(duì)SD協(xié)議的基本內(nèi)容有所了解，通過讀寫相應(yīng)的寄存器就可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的底層讀寫，大大簡化了硬件的開發(fā)過程。同時(shí)，獨(dú)立于硬件平臺(tái)的FatFS軟件包可以方便地移植到各種嵌入式系統(tǒng)中，研發(fā)者只需要對(duì)該軟件包的diskio．c和ff．h進(jìn)行修改，即可完成移植，從而使用FatFS提供的豐富且易于使用的各種接口函數(shù)。
??? 應(yīng)用上述主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有嵌入式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊如圖4所示。

??? 該模塊體積小巧、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的靈活性和通用性很高，可以通過模塊自帶的串行通信接口接收數(shù)據(jù)，并以文件的形式存儲(chǔ)起來。用戶既可以直接通過USB接口將本模塊識(shí)別為U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和分析，也可以將micro SD卡拔出，在任意一個(gè)具有micro SD讀卡器功能的設(shè)備上讀寫數(shù)據(jù)。上述功能特性使得這款數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊具有很良好的應(yīng)用前景。