Blackfin處理器是美國 Analog Devices公司推出的專為滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計算要求和功耗約束條件而設(shè)計的新型嵌入式處理器,。當Blackfin用于音視頻的處理時，大數(shù)據(jù)量媒體數(shù)據(jù)的存儲和管理便成為一個關(guān)鍵問題,。在處理大容量數(shù)據(jù)存儲的方案中,，使用最為普遍的便是IDE硬盤。而針對文件的管理,，由于FAT32文件系統(tǒng)在大容量文件分區(qū)管理方面具有很高的性能,，而且可以在大多數(shù)操作系統(tǒng)中被識別，因此具有很高的兼容性,。所以IDE硬盤加上FAT32文件系統(tǒng)可以作為嵌入式系統(tǒng)大容量文件存儲管理的理想方案,。本文主要闡述此方案基于Blackfin533處理器的硬件和軟件實現(xiàn)。硬件部分為基于ADSP-BF533 EZKIT Lite評估板" title="評估板">評估板設(shè)計的IDE接口擴展板,；軟件部分包括基于擴展板和VisualDSP++" title="VisualDSP++">VisualDSP++ IDDE開發(fā)的IDE接口驅(qū)動程序和FAT32文件系統(tǒng)操作函數(shù),。
1 IDE硬盤原理
1.1 IDE硬盤的尋址
　　硬盤的存儲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　它的基本存儲單元叫作扇區(qū)(Sector),，除此之外。硬盤還有兩個重要的組成部分就是磁頭(Head)和柱面(Cylinder),，它們共同組成硬盤的尋址空間,，其地址被稱為物理地址。顯然,，物理地址尋址方式不夠直觀,、現(xiàn)在的大多數(shù)硬盤都支持另外一種尋址方式，其地址被稱為邏輯地址(LBA),，它把扇區(qū)順序編號,，不必再考慮C、H,、S等參數(shù),。LBA和C、H,、S的換算關(guān)系如下：
　?。絅H×NS×C+NS×H+S－1；
　　C＝(LBA div NS)div NH,；
　　H＝(LBA div NS)mod NH,；
　　S＝(LBA mod NS)+1
　　NH表示每個柱面的磁頭數(shù)，NS表示每個磁道的扇區(qū)數(shù),，C表示柱面數(shù)^[1],。
1.2 硬盤的引導原理
　　硬盤分區(qū)的引導原理如圖2所示,。

　　硬盤的第一個扇區(qū)(0柱面，0磁頭,，1扇區(qū))被稱作主引導扇區(qū)——MBR(Master Boot Record),。在MBR中，主要內(nèi)容就是引導代碼和主分區(qū)表,。主分區(qū)表只有四個分區(qū)表項,，它們可以直接描述分區(qū)，也可以通過擴展分區(qū)表進行擴展^[2],。
　　這種引導組織形式是與文件系統(tǒng)完全無關(guān)的,，在每一個分區(qū)內(nèi)，使用者可以根據(jù)自己的需要安裝任意的文件系統(tǒng),。但使用何種文件系統(tǒng)要在響應(yīng)的分區(qū)表項內(nèi)作記錄,。
2 FAT32文件系統(tǒng)概述^[2][4]
2.1 FAT文件系統(tǒng)
　　FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)是微軟在20世紀70年代末到80年代初發(fā)布的，由微軟的MS-DOS操作系統(tǒng)支持,。在發(fā)展的過程中,，出現(xiàn)了FAT12、FAT16,、FAT32三個版本,，其中，F(xiàn)AT12文件系統(tǒng)由于具有一些致命的缺點,，很早就被FAT16取代了,，而FAT16和FAT32目前還在廣泛使用。表1是三種文件系統(tǒng)的對比,。

　　FAT文件系統(tǒng)的原理可以簡單地描述為把存儲空間分塊映射到一個表中,，從而實現(xiàn)對存儲空間的靈活支配。存儲空間中的每一個塊被稱作簇,，存儲空間的映射表被稱作FAT表,。三種FAT文件系統(tǒng)的一個明顯區(qū)別就是FAT表中表示一個簇所用的位數(shù)不同，分別是12,、16和32,。文件的存儲是不必連續(xù)的，但在FAT表中可用鏈表的形式把文件聯(lián)系在一起,，如圖3所示,。

　　由于FAT文件系統(tǒng)目前在大部分操作系統(tǒng)上都給予了支持，而且實現(xiàn)起來簡單,，所以是理想的嵌入式系統(tǒng)大容量存儲文件管理方案,。
2.2 FAT32文件系統(tǒng)
　　由于FAT16文件系統(tǒng)在大容量分區(qū)管理方面的效率急劇下降，而FAT32文件系統(tǒng)卻很好地解決了這個問題,，所以在大分區(qū)管理方面,，F(xiàn)AT32是理想的文件系統(tǒng),。

　　FAT32文件系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上延續(xù)了FAT文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖4所示,，主要由以下三部分組成：
　　(1) DBR(Dos Boot Record),，包括跳轉(zhuǎn)指令、廠商標志,、os版本號,，BPB(Bios Parameter Block)、擴展BPB,、引導程序和結(jié)束符,；
　　(2) FAT表，實際數(shù)據(jù)存儲空間的映射表,，F(xiàn)AT1和FAT2完全一致,，后者作為前者的備份；
　　(3) 實際數(shù)據(jù)存儲空間,，相比FAT16,，從簇2不再有專門的根目錄空間，而是把根目錄也當作一個特殊的文件來處理,，起始簇是2,。
2.3 FAT32文件系統(tǒng)對文件的管理
　　除了根目錄的所有文件(子目錄也作為一種特殊的文件存在)都對應(yīng)一組數(shù)據(jù)作為文件描述，被稱為文件目錄項,。每個目錄內(nèi)的所有文件和子目錄的文件目錄項都存儲在這個目錄對應(yīng)的存儲空間內(nèi),，每一個文件目錄項有32個字節(jié)，主要包括文件名,、文件屬性、文件大小,、文件存儲位置以及一系列的時間描述等,。 把文件路徑、文件目錄項,、FAT表聯(lián)系在一起就可以完全把握一個文件在硬盤的存儲情況,。圖5所示是一個例子，通過下面的步驟定位文件的所有內(nèi)容：
　　(1) 通過路徑找到文件所在目錄的簇(a),。
　　(2) 在目錄對應(yīng)的空間(c)內(nèi)比對文件名,，找到文件對應(yīng)的文件目錄項(d)。
　　(3) 通過文件目錄項確定文件的起始簇和文件大小,。
　　(4) 根據(jù)FAT表內(nèi)的簇鏈(b)確定文件的存儲空間(e),。

3 IDE硬盤接口設(shè)計
3.1 ADSP-BF533 EZKIT Lite評估板簡介^[5]
　　Blackfin533是美國Analog Devices公司開發(fā)的具有MISC體系的微處理器。這種體系是同時具有RISC指令集和DSP內(nèi)核的一個集合,，所以Blackfin533既可以作為通用嵌入式微處理器進行開發(fā)應(yīng)用,，又具有強大的DSP數(shù)據(jù)處理能力,。
　　ADSP-BF533 EZKIT Lite是Analog Devices公司為方便Blackfin533的開發(fā)應(yīng)用而提供的評估板。它可以與PC機通過USB或者PCI接口的仿真器進行調(diào)試,，操作使用簡單方便,。評估板的核心是一片Blackfin533處理器，輸入頻率是27MHz,，可以通過內(nèi)部PLL控制工作在所需的工作頻率上,，最高可達750MHz。
　　ADSP-BF533 EZKIT Lite評估板的片上資源非常豐富,。有32M SDRAM(16M×16bit),、2M Flash(512K×16bit×2)；通過AD1836音頻處理芯片提供了四路音頻輸入和六路音頻輸出端口,；通過ADV7183視頻解碼芯片和ADV7171視頻編碼芯片分別提供了三路視頻輸入和視頻輸出端口,；此外，評估板還提供了UART,、JTAG,、按鈕電路和LED指示等設(shè)備，尤其是提供了一組功能齊全的擴展接口便于其它設(shè)備的接入,。IDE接口電路就是在這組擴展接口的基礎(chǔ)上設(shè)計的,。
3.2 硬件設(shè)計
　　IDE接口擴展板的設(shè)計是基于Blackfin533芯片的EBIU(External Bus Interface Unit)設(shè)計的。
　　EBIU是Blackfin533與外部存儲器之間的一個通用外部總線接口,，通過對EBIU控制寄存器的設(shè)置,，既可以連接SDRAM等同步存儲器，也可以連接ROM,、FIFOs,、Flash等異步存儲器。EBIU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

　　按照ATAPI協(xié)議^[3]在EBIU的基礎(chǔ)上設(shè)計了IDE接口方案,，使Blackfin533可以通過這一接口實現(xiàn)對硬盤的操作，如圖7所示,。

4 FAT32文件系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　FAT32文件系統(tǒng)接口程序是在VisualDSP++ 3.5集成編譯環(huán)境下編寫和調(diào)試的,。程序用標準C語言編寫，調(diào)用關(guān)系分為五個層次,，如表2所示,。

4.1 Visual DSP++3.5集成編譯環(huán)境^[6]
　　Visual DSP++ 3.5是Analog Devices公司為其DSP而開發(fā)的一套方便的管理系統(tǒng)，完整的系統(tǒng)包括集成了Visual DSP++內(nèi)核的集成編譯和調(diào)試環(huán)境,、帶實時運行庫的C/C++優(yōu)化編譯器,、匯編和鏈接器和仿真軟件以及大量的程序例程。VisualDSP++還有很多有用的功能,，可以使開發(fā)人員更準確地把握程序占用內(nèi)部資源的情況,，更直觀地了解程序內(nèi)部各函數(shù)的效率等等,，這樣在Visual DSP++這個軟件平臺上就可以方便地進行DSP程序的開發(fā)和優(yōu)化。
4.2 文件讀寫策略優(yōu)化
　　FAT32文件系統(tǒng)底層驅(qū)動函數(shù)決定文件讀寫的策略,，是提高程序讀寫文件速度的關(guān)鍵,。理論上FAT32文件系統(tǒng)可以按照如圖8所示的方式對文件的任意內(nèi)容進行操作。但是這個操作是要針對IDE硬盤進行的,，所以必須考慮IDE硬盤的數(shù)據(jù)傳輸特性,。

　　IDE硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速率可分為外部傳輸率" title="傳輸率">傳輸率(External Transfer Rate)和內(nèi)部傳輸率(Internal Transfer Rate)。外部傳輸率指的是通過IDE接口緩存與控制器之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?nèi)部傳輸率也稱硬盤持續(xù)傳輸率,，是磁盤與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。后者比前者要慢很多,，所以要提高傳輸速度,，就要盡量連續(xù)讀寫，減少內(nèi)部刷寫緩存的次數(shù),。
　　通過研究理論上文件操作的過程發(fā)現(xiàn),，對FAT表的操作大大地影響了對文件的連續(xù)讀寫。在實際程序設(shè)計中,，為了解決這個問題,，一方面在描述文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中指定一個成員來記錄當前文件操作指針所在的簇，另一方面把部分FAT表提前讀入SDRAM中,。這兩方面的處理大大減少了硬盤連續(xù)讀寫被打斷的次數(shù),。實驗證明這種方案大大提高了程序的效率，使速度大約提高了三個數(shù)量級,。
4.3 功能設(shè)計
　　一組完善的文件系統(tǒng)庫函數(shù)是最基本的對文件操作的功能實現(xiàn)函數(shù),，應(yīng)包括文件的打開、關(guān)閉,、讀,、寫、定位等函數(shù),。本人設(shè)計十個函數(shù)供外部調(diào)用,，即文件的打開,、關(guān)閉,、讀、寫,、定位,、查找、目錄列表,、重命名,、創(chuàng)建目錄,、刪除等。通過最上層的庫函數(shù)調(diào)用第二層的具體功能函數(shù)來實現(xiàn)這些函數(shù)的操作,，其中最主要的三個功能函數(shù)是fnFindFile,、fnReadFile、fnWriteFile,。
　　fnFindFile的功能是在指定目錄下查找和目標文件名相匹配的文件目錄項,，生成這個文件的指針，流程圖如圖9所示,。
　　fnReadFile函數(shù)是讀文件函數(shù),。它的參數(shù)包括要讀入的地址、要讀入數(shù)據(jù)的單位尺寸,、要讀入數(shù)據(jù)的長度和目標文件的文件指針,，流程圖如圖10所示。

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　　fnWriteFile函數(shù)是寫文件函數(shù),。它的參數(shù)和基本流程和讀文件函數(shù)類似,，但是由于寫文件可能會超過原文件大小，所以必須考慮在硬盤上開辟新的空間和修改文件信息等問題,，流程圖如圖11所示,。

　　本文介紹了一種基于Blackfin533處理器實現(xiàn)IDE硬盤的FAT32文件系統(tǒng)的操作的方案。這套系統(tǒng)是基于硬盤PIO傳輸模式設(shè)計的,，硬盤PIO傳輸模式最大傳輸速度可達到8.3MByte/s,，本系統(tǒng)讀文件速度平均可達6MByte/s，這說明本系統(tǒng)具有較高的效率,。這套系統(tǒng)可以在VisualDSP++ 3.5下編譯成庫,，其它程序可以很簡單地調(diào)用庫中提供的FAT32文件系統(tǒng)操作函數(shù)，實現(xiàn)一種基于Blackfin533處理器的嵌入式大容量文件存儲管理的解決方案,。