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MCF51QE128微控制器是FREESCALE公司生產(chǎn)的8位／32位兼容的低功耗微處理器。工作電壓的典型值是3．6V，與SD卡的工作電壓兼容，可直接與SD卡連接而無(wú)需電平轉換電路。SD卡因為其體積小、功耗低、容量大且成本低，目前被廣泛應用于各類(lèi)嵌入式數據采集系統中。本文針對此類(lèi)應用，通過(guò)實(shí)測512MB SD卡數據，以實(shí)例的形式深入解析了FAT16文件系統的存儲原則，并給出了實(shí)現方案。 1 FAT16文件系統 SD卡格式化為FAT文件系統時(shí)，一般只采用1個(gè)分區，以便于存儲空間的管理。FAT16主要由圖1所示的6個(gè)陰影部分組成。通常情況下，每扇區的大小為512字節。 1. 1 主引導記錄 MBR(Master Boot Record，主引導記錄)總是位于存儲卡的起始位置，即扇區O。圖2是主引導記錄的詳細信息。由于只有1個(gè)分區，所以由偏移量0x1BE可找到第1分區的入口，接著(zhù)由偏移量0x08找到第1分區的相對起始扇區，即第1分區引導記錄所在的扇區。以512 MB SD卡為例，讀取圖2中地址OxlC6～OxlC9處的4個(gè)字節數據(由高位向低位讀取)，即Ox000000E9�？芍�，第1分區引導記錄位于SD卡的第0xE9個(gè)扇區。 1．2 分區引導記錄 分區BR(Boot Record，引導記錄)位于分區的第O扇區。它由跳轉代碼，OEM(Original Eqtlipment Manufacturer，原始設備制造商)，BPB(BIOs Parameter Block，BIOS參數塊)，擴展BPB，引導代碼和結束標志(Ox55 AA)組成。圖3重點(diǎn)列出了分區引導記錄中BPB的各項參數。讀圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量0x0B處2字節數據Ox0200=512可知，SD卡每扇區的字節數為512。類(lèi)似地，可得到其他相關(guān)參數。 1．3 FAT表和文件存儲原則 FAT16文件系統主要通過(guò)FAT表(FATl和FAT2)、根目錄和數據區實(shí)現對文件的存儲管理。FAT表記錄了數據文件的存儲鏈表，對數據的讀取極為重要，通常都會(huì )有一個(gè)或多個(gè)備份。這里，FAT2就是對FATl的備份，必須隨著(zhù)FATl即時(shí)同步更新。根目錄一般以32字節為單位來(lái)存放文件記錄。 數據區主要存放文件數據，為了有效利用存儲空間，一般以簇為單位，簇的大小通常是2的，n次冪個(gè)扇區。FAT格式化后，簇的大小就確定下來(lái)了，可通過(guò)讀取分區引導記錄獲得。例如，讀取圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量OxOD處1字節數據0x10=16可知，SD卡的1個(gè)簇占16個(gè)扇區。 如果將SD卡的存儲空間想象成一本書(shū)，那么要閱讀一篇文章，首先應該打開(kāi)目錄找到文章的頁(yè)碼，然后根據頁(yè)碼翻到文章所在的地方。類(lèi)比到FAT16文件系統，FAT表和根目錄就像書(shū)的目錄，簇號類(lèi)似于書(shū)的頁(yè)碼，而數據區存放的就是文章的具體內容。 以打開(kāi)文件為例，文件的存儲原則可以這樣描述：首先在根目錄中查找文件名，如有匹配，就找到了文件的開(kāi)始簇號，好比知道了文章的頁(yè)碼。但文件的存儲和書(shū)不同，書(shū)的內容一般是連續的，而文件在存儲后是可以隨意修改的(例如添加或刪除)，因而在存儲空間上可能不連續，這樣就無(wú)法僅通過(guò)開(kāi)始簇號找到整個(gè)文件。那么怎樣才能完整找到這些不連續的數據呢?答案就是FAT表。FAT表以“0xF8FF FFFF”作為開(kāi)始標志，以2字節為單位存放文件簇號。FAT表實(shí)質(zhì)是一個(gè)二維鏈表，如圖4所示。 FAT表上面的數字是這2個(gè)字節在表中的位置序號，同時(shí)也代表文件的簇號，與數據區的簇號對應，類(lèi)似目錄的頁(yè)碼。通常SD卡上第一個(gè)文件的開(kāi)始簇號為2。若文件長(cháng)度小于1簇，則其開(kāi)始簇號所對應的2字節值為FFFF。若文件長(cháng)度大于1簇，則其開(kāi)始簇號所對應2字節中存放的是文件所在的下一個(gè)簇號，由所得簇號再查找其對應的2字節，可找到文件接下來(lái)的簇號。依此類(lèi)推，直到最后所得簇號對應的2字節值為FFFF，即為文件的結束簇號。根據上述原則，由FAT表和根目錄就可以確定文件在數據區的存儲簇號，從而實(shí)現文件數據的管理。 2 FAT16文件系統設計 文件系統的基本功能包括：文件的創(chuàng )建、打開(kāi)和讀寫(xiě)。這里假定已經(jīng)實(shí)現了MCF51QE128微控制器和SD卡的硬件接口和底層通信，具體細節參考文獻。 2．1 數據結構 為了便于對主引導記錄、分區引導記錄、FAT表、根目錄和數據區中的相關(guān)信息進(jìn)行記錄和處理，定義了FAT16_t和FILE_t兩個(gè)結構體類(lèi)型。數據類(lèi)型byte、word和dword分別對應于8位、16位和32位數據。 FAT16_t結構體類(lèi)型用于記錄主引導記錄和第1分區引導扇區信息，部分定義如下： FILE_t結構體類(lèi)型用于記錄每個(gè)文件項信息，部分定義如下： 2．2 FAT16初始化 FAT16的初始化主要是讀取主引導記錄和第1分區引導扇區信息，并保存到FAT16_t類(lèi)型變量中。初始化流程如圖5所示。 FAT16初始化子程序中調用了底層SD卡讀數據塊函數SD_ReadBlock。其函數聲明為byte SD_ReadBlock(dword sector，byte*buffer)，用于讀入地址為sector扇區中的數據，暫存入buffer中。預編譯函數from_BE_32和from_BE_16分別實(shí)現由高位向低位讀取4字節和2字節數據。 FAT16初始化子程序聲明為byte Init_FAT(FArl6_t*FAT，byte*buffer)，部分代碼如下： 2．3 打開(kāi)和創(chuàng )建文件 打開(kāi)和創(chuàng )建文件采用一個(gè)函數來(lái)實(shí)現。首先根據讀入的文件名查找根目錄，若有匹配項則打開(kāi)文件，否則創(chuàng )建一個(gè)新文件。流程如圖6所示。 打開(kāi)和創(chuàng )建文件子程序聲明為byte Open_File(FILE_t*FILE，FAT16_t*FAT，byte*buffer，byte*name)。部分代碼如下： 在根目錄中查找是否有文件項匹配，從根目錄的第1個(gè)扇區開(kāi)始讀扇區。 根據文件起始簇號和根目錄的記錄項號，計算文件FAT表、根目錄和數據區的相關(guān)信息。對于根目錄和數據區的信息，已有文件和新文件的計算一致。如果是新文件，還需修改FAT表和根目錄記錄項。 2．4 多扇區數據讀寫(xiě) 多扇區數據的讀寫(xiě)是在打開(kāi)文件的基礎上，以扇區為單位讀寫(xiě)文件，可連續讀寫(xiě)多個(gè)扇區數據，同時(shí)寫(xiě)入文件的屬性、日期和時(shí)間。寫(xiě)數據的流程如圖7所示，讀數據與之類(lèi)似。多扇區數據的寫(xiě)子程序聲明為byte Write_File(FILE_t*FILE，FAT16_t*FAT， byte attribute，word time，word date，dWOEd size_s，byte*buffer)，根據寫(xiě)入扇區數size_s，設置文件的寫(xiě)入位置。首先將寫(xiě)入扇區數與文件剩余扇區數進(jìn)行比較，若寫(xiě)入扇區數小于等于剩余扇區數，則新寫(xiě)入扇區數、簇數均為0，文件結束簇、寫(xiě)簇號不變，不需要修改FAT表，僅修改根目錄中的文件長(cháng)度。否則，需要計算新寫(xiě)入扇區數和簇數。若有增加簇，則需修改FAT表，包括FATl和FAT2、根目錄的文件記，錄項。最后，將數據寫(xiě)入文件數據區。 結語(yǔ) 本文基于FREESCALE公司MCF51QE128微控制器，深入探討了SD卡上FAT16文件系統的存儲原則，給出了實(shí)現方案。軟件算法上，對單扇區數據讀寫(xiě)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現了連續多個(gè)扇區數據的讀寫(xiě)，大大提高了文件的讀寫(xiě)效率，特別適用于數據量較大的視頻、音頻數據采集系統的文件存儲。隨著(zhù)SD卡的快速流行，在此類(lèi)存儲設備中引入文件系統將得到更加廣泛的應用。 |
