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MCF51QE128微控制器是FREESCALE公司生產的8位／32位兼容的低功耗微處理器。工作電壓的典型值是3．6V，與SD卡的工作電壓兼容，可直接與SD卡連接而無需電平轉換電路。SD卡因為其體積小、功耗低、容量大且成本低，目前被廣泛應用于各類嵌入式數據采集系統中。本文針對此類應用，通過實測512MB SD卡數據，以實例的形式深入解析了FAT16文件系統的存儲原則，并給出了實現方案。 1 FAT16文件系統 SD卡格式化為FAT文件系統時，一般只采用1個分區，以便于存儲空間的管理。FAT16主要由圖1所示的6個陰影部分組成。通常情況下，每扇區的大小為512字節。 1. 1 主引導記錄 MBR(Master Boot Record，主引導記錄)總是位于存儲卡的起始位置，即扇區O。圖2是主引導記錄的詳細信息。由于只有1個分區，所以由偏移量0x1BE可找到第1分區的入口，接著由偏移量0x08找到第1分區的相對起始扇區，即第1分區引導記錄所在的扇區。以512 MB SD卡為例，讀取圖2中地址OxlC6～OxlC9處的4個字節數據(由高位向低位讀取)，即Ox000000E9。可知，第1分區引導記錄位于SD卡的第0xE9個扇區。 1．2 分區引導記錄 分區BR(Boot Record，引導記錄)位于分區的第O扇區。它由跳轉代碼，OEM(Original Eqtlipment Manufacturer，原始設備制造商)，BPB(BIOs Parameter Block，BIOS參數塊)，擴展BPB，引導代碼和結束標志(Ox55 AA)組成。圖3重點列出了分區引導記錄中BPB的各項參數。讀圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量0x0B處2字節數據Ox0200=512可知，SD卡每扇區的字節數為512。類似地，可得到其他相關參數。 1．3 FAT表和文件存儲原則 FAT16文件系統主要通過FAT表(FATl和FAT2)、根目錄和數據區實現對文件的存儲管理。FAT表記錄了數據文件的存儲鏈表，對數據的讀取極為重要，通常都會有一個或多個備份。這里，FAT2就是對FATl的備份，必須隨著FATl即時同步更新。根目錄一般以32字節為單位來存放文件記錄。 數據區主要存放文件數據，為了有效利用存儲空間，一般以簇為單位，簇的大小通常是2的，n次冪個扇區。FAT格式化后，簇的大小就確定下來了，可通過讀取分區引導記錄獲得。例如，讀取圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量OxOD處1字節數據0x10=16可知，SD卡的1個簇占16個扇區。 如果將SD卡的存儲空間想象成一本書，那么要閱讀一篇文章，首先應該打開目錄找到文章的頁碼，然后根據頁碼翻到文章所在的地方。類比到FAT16文件系統，FAT表和根目錄就像書的目錄，簇號類似于書的頁碼，而數據區存放的就是文章的具體內容。 以打開文件為例，文件的存儲原則可以這樣描述：首先在根目錄中查找文件名，如有匹配，就找到了文件的開始簇號，好比知道了文章的頁碼。但文件的存儲和書不同，書的內容一般是連續的，而文件在存儲后是可以隨意修改的(例如添加或刪除)，因而在存儲空間上可能不連續，這樣就無法僅通過開始簇號找到整個文件。那么怎樣才能完整找到這些不連續的數據呢?答案就是FAT表。FAT表以“0xF8FF FFFF”作為開始標志，以2字節為單位存放文件簇號。FAT表實質是一個二維鏈表，如圖4所示。 FAT表上面的數字是這2個字節在表中的位置序號，同時也代表文件的簇號，與數據區的簇號對應，類似目錄的頁碼。通常SD卡上第一個文件的開始簇號為2。若文件長度小于1簇，則其開始簇號所對應的2字節值為FFFF。若文件長度大于1簇，則其開始簇號所對應2字節中存放的是文件所在的下一個簇號，由所得簇號再查找其對應的2字節，可找到文件接下來的簇號。依此類推，直到最后所得簇號對應的2字節值為FFFF，即為文件的結束簇號。根據上述原則，由FAT表和根目錄就可以確定文件在數據區的存儲簇號，從而實現文件數據的管理。 2 FAT16文件系統設計 文件系統的基本功能包括：文件的創建、打開和讀寫。這里假定已經實現了MCF51QE128微控制器和SD卡的硬件接口和底層通信，具體細節參考文獻。 2．1 數據結構 為了便于對主引導記錄、分區引導記錄、FAT表、根目錄和數據區中的相關信息進行記錄和處理，定義了FAT16_t和FILE_t兩個結構體類型。數據類型byte、word和dword分別對應于8位、16位和32位數據。 FAT16_t結構體類型用于記錄主引導記錄和第1分區引導扇區信息，部分定義如下： FILE_t結構體類型用于記錄每個文件項信息，部分定義如下： 2．2 FAT16初始化 FAT16的初始化主要是讀取主引導記錄和第1分區引導扇區信息，并保存到FAT16_t類型變量中。初始化流程如圖5所示。 FAT16初始化子程序中調用了底層SD卡讀數據塊函數SD_ReadBlock。其函數聲明為byte SD_ReadBlock(dword sector，byte*buffer)，用于讀入地址為sector扇區中的數據，暫存入buffer中。預編譯函數from_BE_32和from_BE_16分別實現由高位向低位讀取4字節和2字節數據。 FAT16初始化子程序聲明為byte Init_FAT(FArl6_t*FAT，byte*buffer)，部分代碼如下： 2．3 打開和創建文件 打開和創建文件采用一個函數來實現。首先根據讀入的文件名查找根目錄，若有匹配項則打開文件，否則創建一個新文件。流程如圖6所示。 打開和創建文件子程序聲明為byte Open_File(FILE_t*FILE，FAT16_t*FAT，byte*buffer，byte*name)。部分代碼如下： 在根目錄中查找是否有文件項匹配，從根目錄的第1個扇區開始讀扇區。 根據文件起始簇號和根目錄的記錄項號，計算文件FAT表、根目錄和數據區的相關信息。對于根目錄和數據區的信息，已有文件和新文件的計算一致。如果是新文件，還需修改FAT表和根目錄記錄項。 2．4 多扇區數據讀寫 多扇區數據的讀寫是在打開文件的基礎上，以扇區為單位讀寫文件，可連續讀寫多個扇區數據，同時寫入文件的屬性、日期和時間。寫數據的流程如圖7所示，讀數據與之類似。多扇區數據的寫子程序聲明為byte Write_File(FILE_t*FILE，FAT16_t*FAT， byte attribute，word time，word date，dWOEd size_s，byte*buffer)，根據寫入扇區數size_s，設置文件的寫入位置。首先將寫入扇區數與文件剩余扇區數進行比較，若寫入扇區數小于等于剩余扇區數，則新寫入扇區數、簇數均為0，文件結束簇、寫簇號不變，不需要修改FAT表，僅修改根目錄中的文件長度。否則，需要計算新寫入扇區數和簇數。若有增加簇，則需修改FAT表，包括FATl和FAT2、根目錄的文件記，錄項。最后，將數據寫入文件數據區。 結語 本文基于FREESCALE公司MCF51QE128微控制器，深入探討了SD卡上FAT16文件系統的存儲原則，給出了實現方案。軟件算法上，對單扇區數據讀寫進行改進，實現了連續多個扇區數據的讀寫，大大提高了文件的讀寫效率，特別適用于數據量較大的視頻、音頻數據采集系統的文件存儲。隨著SD卡的快速流行，在此類存儲設備中引入文件系統將得到更加廣泛的應用。 |
