基于TMS320LF2407A支持FAT32文件系統(tǒng)嵌入式軟

摘   要： 本文介紹了DSP TMS320LF2407A和FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了基于TMS320LF2407A支持 FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的嵌入式軟件實現(xiàn)。

引言
近幾年來，隨著閃爍存儲技術(shù)的進步，由于Flash閃爍存儲體系具有容量大和功耗低等優(yōu)點，被廣泛用于數(shù)碼相機、媒體播放器和PDA等各種數(shù)碼產(chǎn)品中。當(dāng)前各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)雖然功能完備，但在許多具體的應(yīng)用中，仍需要編寫特定的系統(tǒng)控制軟件。數(shù)碼產(chǎn)品中一個必要的軟件模塊就是對一種或多種文件系統(tǒng)的支持。FAT32文件系統(tǒng)被Windows和Linux等當(dāng)前流行的PC操作系統(tǒng)廣泛支持，這也是許多數(shù)碼產(chǎn)品選擇FAT32的原因。本文介紹了FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基于DSP TMS320LF2407A為硬件平臺支持 FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的嵌入式軟件實現(xiàn)。

圖1  FAT32文件系統(tǒng)的實現(xiàn)機制

FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
單FAT32分區(qū)的磁盤或閃爍存儲器(以下沒有特殊情況均指單FAT32分區(qū)情況)由主引導(dǎo)區(qū)(MBR)、系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)、文件分配表FAT1、文件分配表備份FAT2、文件根目錄FDT和文件數(shù)據(jù)區(qū)組成，它們在磁盤上是順序分布的，如圖1所示。
主引導(dǎo)區(qū)從物理第一扇區(qū)開始，記錄了第一磁盤分區(qū)的入口和剩余磁盤分區(qū)的入口信息、第一分區(qū)的文件系統(tǒng)格式、起始扇區(qū)號和大小。接下來就是FAT32文件系統(tǒng)的引導(dǎo)區(qū)，存放著BPB參數(shù)和系統(tǒng)引導(dǎo)程序，如圖1左上方表格所示。然后是文件分配表及其備份FAT1和FAT2，用于管理和分配文件區(qū)的磁盤空間，其位置和大小由系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)中的參數(shù)計算可得。簇是FAT表給文件分配磁盤空間的最小單位，每個簇在FAT表中占有一個登記項，簇的編號與FAT登記項的編號一一對應(yīng)。FAT表從第2個表項開始分配給文件，最開始兩個表項即序號為0和1的表項為保留表項值為：0FFFFFF8和FFFFFFFF。其它的表項則以鏈表的形式存放下一個在邏輯上連續(xù)的簇號值，結(jié)束用0FFFFFFF標(biāo)記表示不再有后續(xù)的表項，用00000000表示該簇沒有被使用，F(xiàn)AT管理磁盤空間的工作機理如圖1所示。磁盤空間的最后的部分為根目錄和文件區(qū)，根目錄FDT、普通文件目錄和文件具體內(nèi)容由FAT表統(tǒng)一管理，與FAT16文件系統(tǒng)為根目錄劃出專用的磁盤空間不同，這也是FAT32與FAT16的最大區(qū)別之一。在系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)第一扇區(qū)偏移量為2Ch處存放著根目錄的入口簇號，根據(jù)FAT32系統(tǒng)信息可計算出根目錄的具體位置，一般根目錄的入口簇號為00000002。FAT32文件系統(tǒng)的文件登記表格式請參考圖1，限于篇幅這里不介紹超長文件名。
另外，對于支持ATA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)塊存儲設(shè)備有物理尋址(CHS)和邏輯尋址(LBA)兩種方式。在物理尋址方式下，存儲空間通過磁頭(Head)、柱面(Cylinder)和扇區(qū)(Sector)三個參數(shù)組織起來的，每一組H/C/S參數(shù)唯一確定存儲載體中的一個扇區(qū)，通常一個扇區(qū)擁有512個字節(jié)的數(shù)據(jù)空間。邏輯尋址方式下，按照連續(xù)的邏輯扇區(qū)編號進行尋址，使用28個數(shù)據(jù)位來表示邏輯扇區(qū)的地址。下面給出物理尋址方式與邏輯尋址方式的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)NS為每磁道扇區(qū)數(shù)，NH為磁頭數(shù)，C、H、S分別表示磁盤的柱面、磁頭和扇區(qū)編號，LBA表示邏輯扇區(qū)號，Div為整除計算，mod為求余計算，則：LBA＝NH×NS×C+NS×H+S－1；C＝(LBA div NS)div NH；H＝(LBA div NS)mod NH；S＝(LBA mod NS)+1。
了解了FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，就可以獲取相關(guān)文件系統(tǒng)參數(shù)(參見圖1)，對文件進行管理，包括一下幾個方面：
*系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)開始的邏輯扇區(qū)號，由主分區(qū)第一扇區(qū)即物理第一扇區(qū)偏移量1C6h處獲得。
*計算文件分配表及備份FAT1和FAT2的位置和大?。篎AT1的起始邏輯扇區(qū)號＝保留扇區(qū)的大?。到y(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)開始的邏輯扇區(qū)號；FAT2的邏輯扇區(qū)號＝FAT1的邏輯扇區(qū)號＋每個FAT所占的扇區(qū)數(shù)。
*根據(jù)根目錄的起始簇號計算根目錄的位置：根目錄的起始邏輯扇區(qū)號＝FAT2的邏輯扇區(qū)號＋每個FAT所占的扇區(qū)數(shù)＋(根目錄的起始簇號－2)×每簇扇區(qū)數(shù)。這也是根據(jù)簇號計算邏輯扇區(qū)號的公式。

圖2  TMS320LF240A數(shù)據(jù)空間的分配

TMS320LF2407A簡介及資源配置
TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，25ns指令周期，速度為40MIPS，低電壓3.3V設(shè)計；總尋址范圍192K字，其中包括64K 程序空間, 64K 數(shù)據(jù)空間, 64K I/O空間；片內(nèi)程序空間集成32K字Flash；數(shù)據(jù)空間集成2.5K字RAM，包括544字DARAM，2K字SARAM；兩個事件管理模塊EVA、EVB，分別提供兩個16bit全局計數(shù)器，8個脈沖寬度可調(diào)調(diào)制通道PWM，三個外部事件的定時采樣捕獲單元；同步的16通道高性能10bit ADC，轉(zhuǎn)換速率為500ns；串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設(shè)接口(SPI)、CAN總線2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多種數(shù)據(jù)傳輸接口，并且片內(nèi)集成ADC模塊，可被廣泛用于控制、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。
充分利用TMS320LF2407A芯片自身的資源，其數(shù)據(jù)空間的分配如圖2所示。在地址0060-007F數(shù)據(jù)空間，存放FAT32文件系統(tǒng)的重要參數(shù)和3個文件信息表，可以同時訪問3個文件，滿足很多應(yīng)用場合的要求。文件信息表極為簡單，其結(jié)構(gòu)見圖2，它提供了文件訪問所需要的必要信息，能夠方便的對文件操作。在文件信息表中，直接存放要訪問的文件的目錄所在的邏輯扇區(qū)號，避免了地址的重復(fù)計算，并記錄了當(dāng)前文件內(nèi)容緩沖區(qū)存放的內(nèi)容所在的簇號，便于對FAT分區(qū)表進行搜索。由于對文件的訪問需要經(jīng)常搜索FAT分區(qū)表，為了減少重復(fù)讀取同一扇區(qū)的次數(shù)，分配了兩個FAT表扇區(qū)緩沖區(qū)。為要訪問的文件分配了文件目錄緩沖區(qū)和文件內(nèi)容緩沖區(qū)，大小均為256字(1個扇區(qū)的大小)。很多應(yīng)用場合可能僅需要同時訪問一個文件，為了提高數(shù)據(jù)傳輸率，可將文件內(nèi)容緩沖區(qū)大小擴充到256×5字，即將文件目錄緩沖區(qū)2、3和文件內(nèi)容緩沖區(qū)2、3作為文件內(nèi)容緩沖區(qū)1的擴充。由于TMS320LF2407A只有8級硬件堆棧，為保證系統(tǒng)軟件工作的穩(wěn)定性和正確性，且方便函數(shù)調(diào)用進行參數(shù)傳遞和臨時變量的存放，將地址0200-02FF的數(shù)據(jù)空間作為系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用堆棧段。另外，TMS320LF2407A集成了多種通訊接口和兩個事件管理器，很多實時功能實現(xiàn)均依賴中斷來實現(xiàn)，能響應(yīng)的中斷信號多達50個，為了滿足實時性的要求減少軟件設(shè)計的復(fù)雜度，將地址0300-03FF的數(shù)據(jù)空間作為中斷程序的堆棧段。

圖3  獲取FAT32為按系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的流程圖

軟件實現(xiàn)
由于塊存儲設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)按照字節(jié)為單位順序存放，而TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)總線均為16位，如果使用16位數(shù)據(jù)總線并行讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，將會產(chǎn)生高低字節(jié)顛倒，需要軟件進行調(diào)整(其實很多情況下不進行調(diào)整反而軟件處理起來比較方便)。本軟件實現(xiàn)流程圖中，假定進行了高低字節(jié)調(diào)整，在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按照字節(jié)為單位順序存放。獲得FAT32分區(qū)的參數(shù)是對FAT32文件系統(tǒng)進行文件訪問的基礎(chǔ)，本文選擇FAT表1起始邏輯扇區(qū)號、FAT表的長度、文件數(shù)據(jù)區(qū)起始邏輯扇區(qū)號、每簇扇區(qū)數(shù)、分區(qū)總扇區(qū)數(shù)、根目錄的入口首簇號作為一組參數(shù)。也可以根據(jù)軟件實現(xiàn)的復(fù)雜度、信息是否冗余等條件，選擇別的參數(shù)，比如FAT表2起始邏輯扇區(qū)號、根目錄的起始扇區(qū)號等。圖3給出了基于TMS320LF2407A獲取FAT32文件系統(tǒng)的上述參數(shù)的流程圖，其中用到的FAT32文件系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)位置信息和計算公式在此不再重復(fù)。首先讀取主引導(dǎo)扇區(qū)到緩沖區(qū)并進行結(jié)束標(biāo)志(55AAh)判斷；然后根據(jù)第一分區(qū)入口處讀取該分區(qū)的分區(qū)類型信息，判斷是否為FAT32分區(qū)格式；再根據(jù)第一分區(qū)入口處提供的第一分區(qū)的起始邏輯扇區(qū)地址信息將系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)到緩沖區(qū)并進行結(jié)束標(biāo)志(55AAh)判斷；最后根據(jù)系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)提供的BPB參數(shù)，經(jīng)過必要的計算，依次獲得FAT32文件系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。
以在根目錄下新建一個文件為例，說明基于TMS320LF2407A對FAT32文件系統(tǒng)中的文件進行訪問的軟件。

圖4  在根目錄下搜索未用文件目錄登記表項流程圖

1、 搜索根目錄下的未用的目錄表項，空白表項以00字節(jié)開始，被刪除的表項以E5字節(jié)開始。流程圖見圖4，由三重循環(huán)實現(xiàn)，最內(nèi)層循環(huán)檢測文件目錄緩沖扇區(qū)(0A00-0AFF)是否有以00或E5字節(jié)開始的目錄表項；中間層循環(huán)將一個簇下的所有扇區(qū)順序讀到文件目錄緩沖扇區(qū)以供最內(nèi)層循環(huán)檢測；最外層循環(huán)則從文件根目錄入口簇號開始，搜索入口簇號對應(yīng)的FAT表鏈(在圖4中由子程序1實現(xiàn))，將鏈中的簇號提供給中間層循環(huán)使用，直到鏈尾0FFFFFFF結(jié)束。如果在循環(huán)過程中檢測到有空白或者已經(jīng)被刪除的目錄表項存在，則跳至3，否則進入2。
2、 在根目錄入口簇號對應(yīng)的FAT表鏈鏈尾追加一個新的FAT表項(在圖4中由子程序2實現(xiàn))，并將新的FAT表項對應(yīng)的文件數(shù)據(jù)空間全賦0值(因為未被使用的FAT表項對應(yīng)的文件數(shù)據(jù)空間并非一定為0值而將被來用存放根目錄的目錄表項，為保證目錄表項的正確性將這段數(shù)據(jù)空間賦0值表示所有目錄表項都是空白的)。將新的FAT表項對應(yīng)數(shù)據(jù)空間第一扇區(qū)前32字節(jié)作為空白的目錄表項，進入3(第1、2兩步的流程圖請參見圖4)。
3、 在找到的空白目錄表項寫入相關(guān)數(shù)據(jù)：文件名、擴展名、屬性等，但此時只能在文件入口首簇號和文件長度參數(shù)賦0值。將目錄緩沖扇區(qū)數(shù)據(jù)回寫到磁盤后，在Windows等操作系統(tǒng)中就能在根目錄找到相應(yīng)的文件名了。
4、 搜索FAT表中空白表項并計算其對應(yīng)的簇號，將搜索到FAT空白表項寫入0FFFFFFF值并回寫到磁盤，同時要修改分區(qū)表FAT表1和其備份FAT表2；將得到的簇號寫入目錄表項中緩沖區(qū)中相應(yīng)位置并回寫到磁盤。
5、 向第4步中搜索到FAT空白表項對應(yīng)的磁盤空間寫入數(shù)據(jù)，并修改文件長度參數(shù)回寫到磁盤。
6、 如果文件長度較長，則在該文件對應(yīng)的FAT表鏈鏈尾追加一個新的FAT表項，并向新表項對應(yīng)的磁盤空間寫入數(shù)據(jù)修改文件長度參數(shù)回寫到磁盤。
7、 重復(fù)第6步，直到將文件數(shù)據(jù)全部寫入磁盤空間或者用盡磁盤空間為止。
刪除文件是新建文件的逆過程，但比新建文件簡單的多，僅需要刪除文件目錄表項(在文件表項第一字節(jié)賦值E5h即可)和文件對應(yīng)的FAT表鏈即可。

結(jié)語
TMS320LF2407A可以方便地與Flash閃爍存儲載體搭建硬件平臺，并且在芯片集成了多種數(shù)據(jù)傳輸接口和ADC模塊，可被廣泛用于控制、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集存儲等領(lǐng)域。由于FAT32文件系統(tǒng)被當(dāng)前流行的PC操作系統(tǒng)，如Windows和Linux支持，按照FAT32文件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理的意義在于，使得PC機與這些閃爍存儲載體很方便的進行數(shù)據(jù)交換，有更好的通用性、兼容性和更廣闊的應(yīng)用場合。筆者用TI公司的DSP匯編編寫了完整的FAT32文件系統(tǒng)支持程序，其核心代碼不足500行，運行穩(wěn)定可靠，可以直接燒入到TMS320LF2407A片內(nèi)程序Flash空間，不需要外擴Flash存儲芯片。