引  言

　　目前，對圖像處理系統(tǒng)的速度和精度要求越來越高,，采樣的數(shù)據(jù)量也越來越大。而嵌入式系統(tǒng)中的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻,，嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大,。為了能夠?qū)崿F(xiàn)DSP(Digital Signal Processing)系統(tǒng)的獨立運行，需要大容量的存儲介質(zhì)用于保存采樣結(jié)果,。但是板載的Flash等容量通常不大,，SDRAM掉電后數(shù)據(jù)會丟失，并且它們無法方便地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算機主機上,。閃存技術(shù)的不斷發(fā)展,，使得閃存卡(如CF卡、SD卡等)因其體積小,、容量大,、可靠性高等優(yōu)點而在嵌入式存儲領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。因此,，本文介紹一種使用CF卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)存儲大量數(shù)據(jù)的方法,。FAT16文件系統(tǒng)具有出色的文件管理性能，能被大多數(shù)操作系統(tǒng)識別,，因此將CF卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式存儲,、記錄系統(tǒng)的一個理想方案。

　　1  System ACE原理

　　1.1  System ACE簡介

　　System ACE(System Advanced Configuration Environment)是Xilinx公司開發(fā)的系統(tǒng)高級配置系列,，用以滿足面向多個FPGA的系統(tǒng)對高效空間,、預置、高密度配置需求的解決方案,。System ACE技術(shù)是一種突破性的系統(tǒng)內(nèi)可配置的解決方案,，大幅節(jié)省了開發(fā)工作；與傳統(tǒng)的PROM相比,，每比特成本也大大降低,。System ACE技術(shù)是高容量FPGA系統(tǒng)的嵌入式解決方案。

　　System ACE系列把xilinx配置控制的專業(yè)技術(shù)和專注于存儲的產(chǎn)業(yè)結(jié)合在一起,，它的第1個成員是SystemACE CF(CompactFlash),。

　　System ACE CF是1個芯片集，由2部分組成：一個是ACE控制器,，另一個就是用于存儲的CF卡,。

　　1.2 ACE控制器

　　如圖1所示，ACE控制器有4個接口，分別用來連接CF(CompactFlash),、MPU(Microprocessor)、用于連接FPGA的CFGJTAG(Configration JTAG),、允許高度靈活配置的TSTJTAG(Test JTAG),。下面著重介紹CF卡接口和MPU接口。

　　1.3 CF卡接口

　　CF卡接口可以連接的CF卡類型有Xilinx ACEFlash卡,、任意標準的CF卡,、高達8 Gb的IBM微型硬盤，以及所有有相同外形和電路板空間需求的存儲卡,。

　　CF卡接口由2部分組成：一是CF卡控制器,，二是CF卡仲裁器。CF卡控制器不僅用來檢測和維護CF卡設備的狀態(tài),，而且還處理所有的CF設備的訪問總線周期及提煉和執(zhí)行CF命令(如軟復位,、讀／寫段)等。CF卡仲裁器決定微處理器和配置JTAG控制器哪一個來訪問CF卡的數(shù)據(jù)緩沖,。

　　1.4  MPU接口

　　MPU接口功能：

　　◆MPU接口提供了監(jiān)控System ACE控制器和ACE Flash讀寫數(shù)據(jù)的功能,。

　　◆MPU接口能夠識別CF卡并對CF卡進行讀寫。

　　◆MPU接口能夠控制配置流,，包括監(jiān)控ACE控制器的配置狀態(tài)和錯誤狀態(tài),，還能延時配置、開始配置,、決定CF卡或MPU的配置源,，控制比特流版本以及復位設備等。

　　本文就是利用ACE控制器的MPU接口,，在該接口處連接DSP芯片,，并通過CF卡為DSP加載文件系統(tǒng)。

　　1.5  System ACE的文件和目錄

　?。瓵CE是在目錄結(jié)構(gòu)的最底層,。Xilinx的SystemACE軟件能夠?qū)⒈忍亓鬓D(zhuǎn)換為．ACE文件。1個．ACE文件代表特定設備鏈的比特流,。

　?。甤ollection是目錄結(jié)構(gòu)中緊挨著．ACE的上一層，由8個．ACE組成,。在System ACE環(huán)境下,，同一．collection下的所有．ACE文件都可以處理。

　　在1個CF卡設備中有多個collection,，但在任意一時問只能有1個被激活,，至于哪一個被操作是通過xilinx．sys文件來決定的。xilinx．sys文件在ACE Flash設備的根目錄下,。ACE控制器能夠解析xilinx．sys文件,。若根目錄下面沒有xilinx．sys文件,，則必須有1個．ACE文件來充當此角色。

　　System ACE目錄結(jié)構(gòu)的分層設計使得它能夠維護多個版本或者是不同設計的collection,。每一個collection目錄可以有1個或者多個不同的子目錄,。每一個子目錄只能包含1個．ACE文件。

　　Sysrem ACE目錄結(jié)構(gòu)的規(guī)則如下：

　　◆Sysrem ACE配置文件必須放在CF卡設備的第1分區(qū),。

　　◆Sysrem ACE分區(qū)必須被格式化為FAT12或者FAT16格式,。

　　◆xilinx．sys必須在根目錄下。當xilinx．sys不存在時,，根目錄下必須有1個．ACE來充當此角色,。

　　2 CF卡原理

　　CF(Compact Flash)卡是以閃存為存儲，具有容量大(512 MB),、功耗低和可靠性高等優(yōu)點,，得到廣泛的應用。CF卡讀寫的最小單位為1個扇區(qū)(512字節(jié)),，讀寫操作是通過卡內(nèi)緩沖區(qū)進行的,，不支持直接讀寫存儲區(qū)域。

　　CF卡可以工作在3種模式：PC Card Memory(Memory模式),，PC Card I／O(I／O模式)和True IDE模式,。PCCARD模式與PCMCIA標準兼容。TRUE IDE模式與ATA／ATAPI-4標準兼容,。當上電時,，如果OE接地，則進入True IDE模式,，在此模式下只可以存取任務寄存器,。另外2種模式需要通過設備結(jié)構(gòu)寄存器來選擇。

　　CF卡的操作方式與硬盤的操作方式相似,。CF卡讀寫必須以扇區(qū)為單位,，每個扇區(qū)為512字節(jié)，每次可以讀寫1個扇區(qū)或連續(xù)多個扇區(qū),。扇區(qū)的尋址方式有2種：邏輯尋址(LBA)和物理尋址(CHS),，它們之間的關(guān)系為：

　　LBA=(柱面號×磁頭數(shù)+磁頭號)×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1

　　尋址方式采用LBA(Logic Block Address)，該方式將全部扇區(qū)映射至1塊連續(xù)的地址空間中,，這樣可以大大簡化編程的工作,，同時避免了柱面、磁頭和扇區(qū)之間的換算,，使尋址更方便,。對CF卡的配置及各種操作，如讀寫、刪除,、格式化等,，都通過寫特殊功能寄存器完成。

　　3  文件系統(tǒng)的建立

　　3.1  文件系統(tǒng)的引入

　　100個數(shù)在文件系統(tǒng)中是如何存放的呢?在計算機中是以0／1二進制的形式簡單地存放在存儲介質(zhì)中,。如果不同的數(shù)多,，如何處理?這就引出了文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)實際上就是對存儲的數(shù)據(jù)進行管理,。本文在CF卡上建立的文件系統(tǒng)是FAT16。FAT16是Microsoft較早推出的文件系統(tǒng),，具有高度兼容性,，目前仍然廣泛應用于個人電腦尤其是移動存儲設備中。

　　硬盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點和作用大致可分為5部分：MBR(Main Boot Record,，主引導扇)區(qū),，DBR(DosBoot Record，操作系統(tǒng)引導記錄)區(qū),，F(xiàn)AT(File AllocationTable,，文件分配表)區(qū)，DIR(Directory,，根目錄)區(qū),，DATA區(qū)。

　　MBR區(qū)位于整個硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)(可以看作是硬盤的第1個扇區(qū)),，bios在執(zhí)行自己固有的程序以后就會跳轉(zhuǎn)到mbr中的第1條指令,，將系統(tǒng)的控制權(quán)交由mbr來執(zhí)行。在總共512字節(jié)的主引導記錄中,，MBR的引導程序占了其中的前446字節(jié)(偏移0H～偏移1BDH),，隨后的64字節(jié)(偏移1BEH～偏移1FDH)為DPT(Disk Partition Table，硬盤分區(qū)表),，最后的2字節(jié)“55 AA”(偏移1FEH～偏移1FFH)是分區(qū)有效結(jié)束標志,。MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，即不同的操作系統(tǒng)可能會存在相同的MBR,，即使不同,，MBR也不會夾帶操作系統(tǒng)的性質(zhì)，具有公共引導的特性,。

　　DBR(Dos Boot Record,，操作系統(tǒng)引導記錄)區(qū)通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)(特殊情況下也要占用其他保留扇區(qū),，這里先說第0扇),。在這512字節(jié)中，其實又是由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標志和操作系統(tǒng)版本號,、BPB(BIOS Parameter Block),、擴展BPB、os引導程序,、結(jié)束標志幾部分組成,。

　　FAT表是用FAT16來記錄磁盤數(shù)據(jù)區(qū)簇鏈結(jié)構(gòu)的。如前面的例子,，F(xiàn)AT將磁盤空間按一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進行劃分,，這樣的單位稱為簇。通常情況下,，每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的,。簇的大小一般是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)的大小，像512 B,、1 KB,、2 KB、4 KB,、8 KB,、16 KB、32 KB,、64 KB,。實際中通常不超過32 KB。之所以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進行磁盤的分配,，是因為當分區(qū)容量較大時,，采用大小為512位的扇區(qū)管理會增加FAT表的項數(shù)，對大文件存取增加消耗,，文件系統(tǒng)效率不高,。

　　DIR(Directory)是根目錄區(qū)，緊接著第二FAT表(即備份的FAT表)之后,，記錄著根目錄下每個文件(目錄)的起始單元,、文件的屬性等。定位文件位置時,，操作系統(tǒng)根據(jù)DIR中的起始單元,，結(jié)合FAT表就可以知道文件在硬盤中的具體位置和大小了。

　　數(shù)據(jù)區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲的地方,，位于DIR區(qū)之后,，占據(jù)硬盤上的大部分數(shù)據(jù)空間。

　　3.2 FAT16文件系統(tǒng)存儲原理

　　在FAT文件系統(tǒng)中,，文件的存儲依照FAT表制定的簇鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進行,。同時,，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)將組織數(shù)據(jù)時使用的目錄也抽象為文件，以簡化對數(shù)據(jù)的管理,。格式化FAT16分區(qū)時,，格式化程序根據(jù)分區(qū)的大小確定簇的大小，然后根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目,、根目錄的扇區(qū)數(shù)目,、數(shù)據(jù)區(qū)可分的簇數(shù)與FAT表本身所占空間來確定FAT表所需的扇區(qū)數(shù)目，之后將計算結(jié)果寫入DBR的相關(guān)位置,。FAT16 DBR參數(shù)的偏移0x11處記錄了根目錄所占扇區(qū)的數(shù)目,。偏移0x16記錄了FAT表所占扇區(qū)的數(shù)據(jù)。偏移0x10記錄了FAT表的副本數(shù)目,。系統(tǒng)在得到這幾項參數(shù)以后,，就可以確定數(shù)據(jù)區(qū)的開始扇區(qū)偏移了。FAT16文件系統(tǒng)從根目錄所占的32個扇區(qū)之后的第1個扇區(qū)開始以簇為單位進行數(shù)據(jù)的處理,，這之前仍以扇區(qū)為單位。對于根目錄之后的第1個簇,，系統(tǒng)并不編號為第0簇或第1簇,，而是編號為第2簇，也就是說數(shù)據(jù)區(qū)順序上的第1個簇也是編號上的第2簇,。FAT文件系統(tǒng)之所以有12,、16、32不同的版本之分,，其根本在于FAT表用來記錄任意一簇鏈接的二進制位數(shù),。以FAT16為例，每一簇在FAT表中占據(jù)2字節(jié)(二進制16位),。所以,，F(xiàn)AT16最大可以表示的簇號為0xFFFF(十進制的65535)，以32 KB為簇的大小的話,，F(xiàn)AT32可以管理的最大磁盤空間為：32 KB×65 535=2 048 MB,，這就是為什么FAT16不支持超過2 GB分區(qū)的原因。FAT表實際上是1個數(shù)據(jù)表,，以2字節(jié)為單位,，我們暫將這個單位稱為FAT記錄項，通常情況其第1,、2個記錄項(前4個字節(jié))用作介質(zhì)描述,。從第3個記錄項開始記錄除根目錄外的其他文件及文件夾的簇鏈情況。

　　4  DSP對CF卡的讀寫操作

　　4.1  DSP對CF卡讀寫的硬件電路

　　通過在MPU端口處連接DSP來實現(xiàn)DSP對CF卡的讀寫,，圖2為DSP讀寫CF卡的示意圖,，圖3為硬件連接圖,。

　　4.2  DSP對CF卡讀寫的軟件流程

　　圖4為DSP讀寫CF卡數(shù)據(jù)的軟件流程。首先,，DSP通過MPU端口訪問CF卡前必須獲得CF卡鎖,，否則進入等待直到CF卡處于空閑狀態(tài)或者強制獲得CF卡鎖。其次,，CF卡數(shù)據(jù)的讀寫是以扇區(qū)為單位的,。1個扇區(qū)可以分為若干個sector，每個sector的大小固定為512字節(jié),，每個sector又可分為16個buffer,。若已知CF卡的容量就可以通過計算來設置LBA、sector變量以及buffer變量,。最后,，對buffer進行讀寫，讀寫結(jié)束后釋放CF卡鎖,。

　　4.3  程序設計

　　可以通過以下函數(shù)來實現(xiàn)DSP對CF卡的讀寫,。

　　◆獲得CF卡鎖：Uint32 get_CF_lock(void)；

　　◆檢測CF卡當前狀態(tài)：Uint32 check_CF_ready (void),；

　　◆檢測buffer是否準備就緒：Uint32 wait_buffer_ready(void),；

　　◆讀CF卡數(shù)據(jù)：Uint32 read_data_from_CF(Uint8*p_data，Uint32 LBA,，Uint16 Sector Count),；

　　◆向CF卡寫數(shù)據(jù)：Uint32 write_data_to_CF(Uint8*p_data，Uint32 LBA,，Uint16 Sector_Count),；

　　◆復位：void reset(void)。

　　結(jié)  語

　　本文實現(xiàn)了DSP通過System ACE對CF卡進行數(shù)據(jù)存儲管理,，充分利用了SystemACE技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)配置方案,，突破了傳統(tǒng)的多FPGA應用環(huán)境。

　　CF卡作為存儲介質(zhì)具有容量大,、接口簡單,、體積小、價格低廉和可靠性較高等特點,，結(jié)合FAT16文件系統(tǒng),，可以很方便地存儲和回放數(shù)據(jù)。