MC9S12UF32的嵌入式文件系統數據存儲模塊

摘要：隨著嵌入式技術的發展，越來越多的系統需要具備大容量數據存儲、傳輸和分析的功能，對于數據靈活性和通用性的要求也隨之提高。本文基于MC9S12UF32設計了一款使用FAT文件系統對數據進行管理的數據存儲模塊。詳細介紹了該模塊的軟、硬件構架，并給出了開放源代碼的文件系統FatFs軟件包的移植與使用方法。

引言
??? 隨著信息技術的發展，嵌入式系統簡單地對存儲介質按地址、字節進行讀寫的方式已經不能滿足實際應用的需求，利用文件系統對存儲介質進行管理成為嵌入式系統的一個發展方向。雖然目前存在很多版本的文件系統，但windows的廣泛應用使得FAT文件系統仍然是最通用的文件系統之一。本文中基于MC9S12UF32單片機，結合開源文件系統FatFS，設計實現了使用FAT文件系統的大容量數據存儲模塊。

1 系統結構
??? 數據存儲系統框架如圖1所示。該數據存儲模塊以Freescale公司的MC9S12UF32為核心，串行通信接口SCI接收到的數據可以直接通過單片機以FAT文件的形式存儲在micro SD卡中。用戶程序可以通過編程控制單片機，直接對micro SD卡中的任意文件進行讀寫，實現存儲數據。由于實現了FAT文件系統，用戶也可以通過單片機內置的USB接口將本數據模塊識別為U盤，用PC機進行讀寫操作。此外，模塊中的SD卡也可以取出，使用標準的讀卡器可在任何PC機上讀出。

2 硬件結構及底層函數的編寫
??? 本文所介紹的數據存儲插件由MC9S12UF32、DSl2887實時鐘模塊、micro SD卡、串行通信接口以及USB接口5部分組成。實時時鐘，可以為數據存儲模塊的文件系統提供正確的時間戳信息，在精簡的系統設計中，這個部分則可以省略。
2．1 MC9S12UF32單片機
??? Freescale公司生產的這款16位單片機具有3．5 KBRAM和32 KB Flash EEPROM。它最大的特點在于擁有USB2．O接口、ATA5接口以及SD／MMC、SmartMedia、MemoryStick等多種存儲卡接口。本文所介紹的數據存儲插件采用MC9S12UF32單片機內部集成的SD主控制器模塊(SDHC)實現micro SD卡的底層讀寫。
??? (1)SDHC模塊
??? SDl．O規范協議中定義了對SD卡的兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。使用SDHC(Secured Digital cardHost Controller)模塊對SD卡讀寫采用了SD模式。該模塊將SD總線轉換為MC9S12UF32內部的IPBus總線或者IQUE總線，使用者只需要對SDHC模塊相關的寄存器進行配置，就可以實現向SD卡發送各種命令和讀寫數據的功能。SD卡與SDHC的連接如圖2所示。

MC9S12UF32內部集成的SDHC模塊支持SD卡1．O版本的物理層協議，所以本系統使用標準microSD卡(而非SDHC卡)，其存儲容量最大為2 GB。這樣的存儲容量已經完全可以滿足大多數嵌入式應用的需求。

??? (2)MC9S12UF32與SD卡之間的數據傳輸
??? 在完成對時鐘頻率和傳輸數據線寬度的配置之后，通過發送相應的讀寫命令就可以實現單片機與SD卡之間的數據傳輸了。在單片機向SD卡寫入數據的過程中，編程者將需要寫入的數據寫入SDHC模塊的SDATA寄存器(16位)之后，該數據將被轉移至發送數據FIFO中。與此同時，只要發送數據FIFO非空，其中的數據就會不斷地通過數據線被寫入SD卡的相應位置。在單片機從SD卡中讀取數據的過程中，SD卡中的數據將不斷發送至接收數據FIFO中。只要接收FIFO非空，單片機就可以不斷地通過讀SDATA寄存器得到接收數據FIFO中的數據。
2．2 DSl2887實時鐘模塊
??? DSl2887模塊使用數據／地址復用的并行異步總線，可以為單片機提供100年以內的實時鐘信息(年／月／日／時／分／秒)。它內部具有石英晶振和鋰電源，首次使用時，需要對該模塊內部的寄存器進行相應配置，激活晶振使其進入工作狀態。由于DSl2887內部帶有鋰電源，所以一旦晶振被激活，即使外部掉電，該模塊依然可以保存并提供正確的實時鐘信息。
??? 設定DSl2887的時間和從DSl2887中讀取時間信息的底層程序比較簡單，只需參照芯片手冊對寄存器進行合理配置。但是，需要特別注意的是，在寫時鐘和讀取時鐘之前需要鎖存時鐘信息相關的buffer，防止在讀寫過程中由于出現時鐘信息自動更新情況而導致的錯誤。系統中，在每次讀寫實時鐘之前，查詢DSl2887內部控制寄存器A最高位UIP是否為O，以避免上述錯誤的產生。因為芯片手冊中給出，一旦UIP=O，那么在244μs內實時鐘模塊都不會自動更新當前的時鐘信息，而這段時間足以讓單片機完成讀寫實時鐘的過程。

3 FatFS文件系統的移植與配置
3．1 FatFS軟件包簡介
??? 采用文件系統，是為了在單片機能夠對SD卡進行數據讀寫的同時，保證其讀寫的數據能夠被大多數通用設備識別。換言之，數據在存儲器內的組織型式，需要遵循一些已有的工業標準和規范。例如使用FAT文件系統，數據存儲單元的SD卡取下來后，可以使用任何標準的讀卡器在windows、Linux等PC機上讀出。
??? 當前著名的嵌入式文件系統有若干種選擇，比如EFSL(Embedded Filesystem Library)、uC／FS、／TinyFatFS等。這之中EFSL和FatFs都是開放源碼的，具有十分詳盡的文檔和函數手冊，除錯更新也十分及時，在本文的設計中我們采用的是FatFS。
??? FatFS采用使用ANSI C編寫，具有很好的硬件平***立性，使用者只需要對源程序進行簡單的修改和配置，就可以將其移植到各種系列的單片機上。此外，它的內存開銷很小，ROM的占有量在十幾KB的量級，使用者可以根據不同的應用方便的對代碼進行裁減。FatFS支持FATl2、FATl6和FAT32，可以建立獨立的緩沖區對多個文件進行讀寫。FatFs是一個不斷更新完善的軟件，大量的相關信息可以從原作者的主頁上得到(http：／／elm-chan．org／fsw／ff／00index_e．html)，同時原作者也做了很多性能測試的工作。
3．2 FatFS的移植
??? 可從FatFS的主頁上下載得到FatFS R0．07版本。FatFS的主程序包含5個文件，即diskio．c、diskio．h、ff．c、ff．h和integer．h。其中，diskio．c和diskio．h是與底層硬件I／O相關的函數；ff．c和ff．h是應用函數，主要涉及FatFS的配置和裁減；而integer．h中定義了FatFS軟件所使用的各種數據類型。
??? 移植FatFS的過程中基本不需要對diskio．h和ff．c進行修改。除了核實integer．h中的數據類型定義是否與MC9S12U32數據類型相符之外，移植的重點工作在于diskio．c中6個主要函數的實現和ff．h中對于文件系統的裁減配置。dikio．c包含的6個接口函數：disk_initial-ize，disk status，disk ioctl，disk read，disk write和disk_fattime。它們分別實現存儲介質的初始化、讀取／寫入若干個扇區的數據和獲取實時鐘信息的功能。

??? 具體移植過程如下：
??? (1)存儲媒介初始化函數
??? DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)
??? 由于采用的存儲媒介是SD卡，所以該函數的實際功能是對SD卡進行初始化。drv是存儲介質號碼，由于Tiny-FatFS只支持一個存儲介質，所以此處drv始終取O值。執行無誤，則返回值=O；執行中出現錯誤，則返回非O值。
??? (2)狀態檢測函數
??? DSTATUS disk_status(BYTE drv)
??? 該函數用于檢測是否支持當前的存儲介質。此處的drv仍然恒為O。對Tiny-FatFS而言，只要drv為O，就認為支持當前介質，函數直接返回O值即可。
??? (3)讀扇區函數
??? DRESULT disk read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD seetor，BYTE．count)
??? 該函數是在“單片機從SD卡讀取一個扇區”的函數基礎上編寫而成的，其功能是從SD卡讀取一個或多個扇區的數據。*buff用于存儲已經讀取的數據，sector是待讀取扇區的起始扇區數，count是需要讀取的扇區數。如果執行無誤則返回O值，否則返回非O值。
??? (4)寫扇區函數
??? DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff。DWORD sector，BYTE count)
??? 與disk_read相似，該函數是在“單片機向SD卡寫入一個扇區”的函數基礎上編寫而成的，其功能是向SD卡導入一個或多個扇區的數據。*buff用于保存將要寫入的數據，sector是待寫入扇區的起始扇區數，count是需要寫入的扇區數。如果執行無誤，則返回0值；否則，返回非0值。
??? (5)存儲介質控制函數
??? DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)
??? ctrl是控制代碼，*buff用于保存或接收需要控制的數據數據。使用者可以在此函數里添加自己需要的功能代碼，例如獲得存儲介質的容量、扇區數等。如果是簡單的應用，也可以不執行任何功能，直接返回0值。本文采用的就是這一方法。
??? (6)實時鐘函數
??? DWORD disk_fattime(Void)
??? 該函數將讀取的實時鐘信息保存在一個32位無符號整數中，并將其作為函數的返回值。時鐘信息在這32位中的具體分布如表1所列。

3．3 FatFS的裁減與配置Tiny-FatFS
??? FatFs提供了豐富的庫函數，可以實現創建、讀取文件夾，創建、讀寫文件，移動文件指針，向文件中寫入或讀取字符串，甚至是類似與C語言fprintf()的格式化輸入等各種功能。使用者可以根據自己的需求設置相應的宏，對FatFs進行裁減，僅保留需要的功能函數，從而精簡文件系統的內存開銷。FatFS提供的函數與宏的對應關系如圖3所示。

??? FatFS的裁減，不僅僅是函數層面的。更重要的是，在內部機制上形成一個精簡版本，稱為Tiny-FatFS。它與標準版FatFS相比，主要的區別在于Tiny-FatFS僅支持一個物理存儲介質，而且不再針對每個開啟的文件建立512字節的緩存，整個文件系統和物理介質使用同一個緩存。顯然，Tiny-FatFs需要的內存開銷比標準版FatFS更低，只要1 KB左右的RAM。可以說，Tinyr-FatFS是專門為小型嵌入式系統而設計的文件系統模塊。本文介紹的數據存儲系統使用的正是Tiny-FatFS版本。

??? 在表2中，對ff．h中主要配置宏的含義進行了說明，同時給出了本文所介紹的數據存儲模塊采用的取值。

4 FatFS文件系統的使用
??? FatFS文件系統中涉及2個基本的數據結構：文件系統(磁盤)的數據結構FATFS和文件的數據結構FIL。這兩個結構是FatFS軟件主要的RAM開銷，FATFS數據結構中有針對磁盤的512字節讀寫緩存，FIL則有針對每個文件的緩存。而采用Tiny FatFS配置則不會開設文件讀寫緩存，節約RAM。
??? 依次使用f_mount、f_open、f_rcad／f_write、f_close可以完成基本的讀寫。FatFS允許對同一文件同時復數讀取，但完全不支持對同一文件同時復數的寫入操作，因為這會引起文件系統錯誤。具體每一個函數，特別是字符串讀寫、格式化讀寫等，可以參見原始幫助和例程。
??? 此外，由于嵌入式系統具有突然掉電的可能性，一些關鍵代碼段可能導致文件系統錯誤，所以要注意調用f_sync()及時寫入。當然，如果是一組連續的f_write()寫入，而每次寫完都f_sync()，則會極大地影響速度，可以全部寫完后f_sync()。
??? V0．07以后版本的FatFS，增加了以下新的功能：
??? ①_FS_TINY。Tiny模式變成了一個宏選項，而不是獨立的代碼包。
??? ②_FS_RPATH。決定是否有當前路徑的概念，這將影響兩個相關函數的參數。
??? ③_USE_LFN。啟用長文件名支持，可為1或2，為2時可重入。由于長文件名存在堆棧上，而且啟用LFN會依據代碼頁增加一個很大的轉換表，占掉幾十～幾百KB，所以不推薦。
??? ④_LFN_UNICODE。長文件名使用Unicode，實驗階段，尚未正式寫入文檔。

結語
??? MC9S12UF32單片機內部集成的SDHC模塊，可將SD總線轉換為單片機內部的IP總線，開發者只需要對SD協議的基本內容有所了解，通過讀寫相應的寄存器就可以方便地實現對SD卡的底層讀寫，大大簡化了硬件的開發過程。同時，獨立于硬件平臺的FatFS軟件包可以方便地移植到各種嵌入式系統中，研發者只需要對該軟件包的diskio．c和ff．h進行修改，即可完成移植，從而使用FatFS提供的豐富且易于使用的各種接口函數。
??? 應用上述主要技術實現的具有嵌入式文件系統的數據模塊如圖4所示。

??? 該模塊體積小巧、存儲數據的靈活性和通用性很高，可以通過模塊自帶的串行通信接口接收數據，并以文件的形式存儲起來。用戶既可以直接通過USB接口將本模塊識別為U盤進行數據讀寫和分析，也可以將micro SD卡拔出，在任意一個具有micro SD讀卡器功能的設備上讀寫數據。上述功能特性使得這款數據存儲模塊具有很良好的應用前景。