隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展,，ARM處理器憑借其高性能,、廉價、耗能低的優(yōu)質(zhì)特性而得到廣泛應(yīng)用,。文中主要針對貨車動態(tài)稱重系統(tǒng)中大量實(shí)時載重數(shù)據(jù)存取的需求,，在ARM9嵌入式處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種SD卡文件系統(tǒng),。該系統(tǒng)具有實(shí)時性強(qiáng),、存取速率高、易維護(hù),，易移植等特點(diǎn),。
1 硬件接口電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件開發(fā)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(nèi)核,，主頻400 MHz，最高可達(dá)533 MHz,，內(nèi)部具有豐富的系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸,，寬總線數(shù)據(jù)一次傳4位,，數(shù)度更快，因此,，此設(shè)計(jì)采用寬總線方式,。
2 SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
μC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的,，可裁剪的,，搶占式的，實(shí)時多任務(wù)小型的嵌入式操作系統(tǒng),，它采用可剝離式內(nèi)核實(shí)施任務(wù)調(diào)度,，實(shí)時性很強(qiáng)，而且每個任務(wù)具有唯一的優(yōu)先級,，能夠保證就續(xù)表中任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)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(guān)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(gòu)架的微處理器上,。
為了增強(qiáng)軟件的可移植性，易維護(hù)性,，程序設(shè)計(jì)時采用層次化,，模塊化設(shè)計(jì)。模塊化結(jié)構(gòu)如圖2所示,，除了用來進(jìn)行管理的操作系統(tǒng)外,，共分為4個模塊，包括SD卡底層驅(qū)動，文件系統(tǒng),，API接口,，用戶應(yīng)用程序。底層驅(qū)動完成SD卡初始化,，以及實(shí)質(zhì)上的讀寫功能;文件系統(tǒng)采用PC機(jī)普遍支持的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范來設(shè)計(jì),，完成文件的創(chuàng)建，讀寫,，刪除功能;API接口封裝文件系統(tǒng)提供的函數(shù),，供上層應(yīng)用使用;用戶應(yīng)用程序通過調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)，完成相應(yīng)的功能,。各個模塊的具體實(shí)現(xiàn)下面會做以說明,。
2.1 底層驅(qū)動設(shè)計(jì)
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(fā)送命令并讀取命令的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對SD卡的控制,。在SD卡讀寫之前,，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保SD卡能進(jìn)行正常數(shù)據(jù)讀寫的前提,，SD卡初始化完成了SD卡上電,，確認(rèn)，設(shè)置邏輯地址,，使其進(jìn)入傳輸狀態(tài)以及設(shè)置總線帶寬幾大主要工作,。需要注意的是，在發(fā)送使SD卡空閑命令CMD0之前至少等待74個時鐘,，確保SD卡進(jìn)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(shí)現(xiàn)
初始化完戚之后，就可對SD卡進(jìn)行讀寫操作,，通過設(shè)置SDI數(shù)據(jù)控制寄存器SDIDCON來確定SD卡的讀寫長度,，讀操作時數(shù)據(jù)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(shù),。SD卡的讀寫可以一次性讀寫單塊數(shù)據(jù)，也可以一次性讀寫多塊數(shù)據(jù),，多塊數(shù)據(jù)的讀寫結(jié)束時,，要發(fā)送CMD12結(jié)束指令。主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)：Write_Card_Block()-寫入單塊數(shù)據(jù);Write_Card_Data()-寫入多塊數(shù)據(jù);Read_Card_Block()-讀多塊數(shù)據(jù);Read_Card-Data()-讀多塊數(shù)據(jù),。
2.2 文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 FAT32文件系統(tǒng)概述
Windows95 OSR2和Windows 98開始支持FAT32文件系統(tǒng),，它是對早期DOS的FAT文件系統(tǒng)的增強(qiáng)，由于文件系統(tǒng)的核心一文件分配表FAT擴(kuò)充為32位,，所以稱為FAT32文件系統(tǒng),。FAT32包含DBR,、保留扇區(qū)、FAT1,、FAT2(第一個FAT的備份),、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)5部分,。DBR(Dos Boot Rec ord)是操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū);保留扇區(qū)是為了對DBR作備份或留待以后升級時用;文件分配表區(qū)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(shí)現(xiàn)的;FAT32根目錄區(qū)(ROOT區(qū))不再是固定區(qū)域、固定大小,，可看作是數(shù)據(jù)區(qū)的一部分;數(shù)據(jù)區(qū)用來存放真正要記錄的文件數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)定義的一簇為4K個字節(jié),。
2.2.2 文件系統(tǒng)初始化
文件系統(tǒng)初始主要是讀取SD卡的DBR扇區(qū)(0扇區(qū)),，并分析該扇區(qū)內(nèi)容，從而獲取每扇區(qū)字節(jié)數(shù),，每簇扇區(qū)數(shù),，F(xiàn)AT開始扇區(qū)號，根目錄開始扇區(qū)號等關(guān)鍵信息,，為文件的創(chuàng)建,，讀寫等操作做準(zhǔn)備，文件系統(tǒng)初始化函數(shù)代碼如下：
2.2.3 文件創(chuàng)建
SD卡上創(chuàng)建文件或目錄的過程就是在文件目錄表FDT中申請登記項(xiàng)的過程,，為此程序設(shè)計(jì)時定義了如下結(jié)構(gòu)體：
在文件目錄項(xiàng)FDT中申請登記項(xiàng)動作就是通過對上述結(jié)構(gòu)體的操做來完成的,，操作流程，也是文件創(chuàng)建流程如圖3所示,，當(dāng)把SD卡插入卡插槽時,，系統(tǒng)首先初始化SD卡，即讀取SD卡的DBR扇區(qū)(0扇區(qū))獲取相關(guān)信息,，接下來打開所要創(chuàng)建文件的路徑,，如果路徑不存在，創(chuàng)建該路徑,，如果存在,，搜尋FAT表，找空閑簇,。再接下來把要創(chuàng)建的文件的相關(guān)信息(文件名,，文件大小，創(chuàng)建時間,，屬性等)填入上述結(jié)構(gòu)體,，把該結(jié)構(gòu)體寫入文件目錄項(xiàng)FDT，相應(yīng)的扇區(qū)寫入數(shù)據(jù),，最后更新FAT鏈表,。文件創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)函數(shù)為FAT32_Creat_File(),。
2.2.4 文件讀寫
文件系統(tǒng)對SD卡上文件的管理都是以簇為單位進(jìn)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(xiàng)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(shù)FAT32_Creat_Flie()創(chuàng)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(xiàng)中找到該文件的起始簇號,，知道了該起始簇號，就可以根據(jù)FAT表中的簇鏈關(guān)系找到到第2簇,，第3簇,，直到最后一簇文件結(jié)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(shù)有：FAT32_Open_File()-打開文件;FAT32_Read_File()-讀文件;FAT32_Write_File()-寫文件;FAT32_Close_File()-關(guān)閉文件,。
2.2.5 文件刪除
FAT32文件系統(tǒng)中所謂的刪除實(shí)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(xiàng)上做一個刪除標(biāo)記)，把文件在FAT表中占用的簇標(biāo)記為空簇,，但文件包含的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),。因此，只要不保存新的文件,，被刪除文件的數(shù)據(jù)實(shí)際上仍舊完整無缺地保存在磁盤上,。文件刪除函數(shù)為：FAT32_DeleteFile()。
2.3 API接口設(shè)計(jì)
API接口模塊要是向用戶應(yīng)用程序提供文件的創(chuàng)建讀寫刪除功能,，該模塊通過調(diào)用文件系統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn),。主要的借口函數(shù)有：OS_ CreateFile()-創(chuàng)建文件;OS_OpenFile()-打開文件;OS_WriteFile()-文件寫入數(shù)據(jù);OS_WriteFile()-讀文件數(shù)據(jù);OS_CloseFile()-關(guān)閉文件;OS_DeleteFile-刪除文件。
2.4 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
該模塊通過直接運(yùn)用文件系統(tǒng)提供的API接口函數(shù)完成對稱重數(shù)據(jù)信息的操作,，只需要對μC/OS-II操作系統(tǒng)直接負(fù)責(zé),，并不需要考慮文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)問題以及底層硬件驅(qū)動問題。
3 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)作為貨車車載動態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊,，采用容量大,、體積小、性價比高的存儲介質(zhì)SD卡來存儲長時間段的測量數(shù)據(jù),，對FAT32進(jìn)行了裁剪,，并結(jié)合SD卡的底層的讀寫程序,，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式SD卡文件系統(tǒng)，這樣就能很方便通過上位機(jī)對SD卡記錄貨車稱重數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,，綜合分析以及備份,。同時該方法為其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式記錄到SD卡上,，便于文件的統(tǒng)一管理,。