引言

　　信息技術(shù)（Information Technology，簡稱IT），是主要用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱。它主要是應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)來設(shè)計、開發(fā)、安裝和實施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。它也常被稱為信息和通信技術(shù)（Information and Communications Technology, ICT）。主要包括傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。信息技術(shù)的研究包括科學(xué)，技術(shù)，工程以及管理等學(xué)科，這些學(xué)科在信息的管理，傳遞和處理中的應(yīng)用，相關(guān)的軟件和設(shè)備及其相互作用。

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)簡單地對存儲介質(zhì)按地址、字節(jié)進(jìn)行讀寫的方式已經(jīng)不能滿足實際應(yīng)用的需求，利用文件系統(tǒng)對存儲介質(zhì)進(jìn)行管理成為嵌入式系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。本文中基于MC9S12UF32單片機(jī)，結(jié)合開源文件系統(tǒng)FatFS，設(shè)計實現(xiàn)了使用FAT文件系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲模塊。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)框架如圖1所示。該數(shù)據(jù)存儲模塊以Freescale公司的MC9S12UF32為，串行通信接口SCI接收到的數(shù)據(jù)可以直接通過單片機(jī)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(jī)，直接對micro SD卡中的任意文件進(jìn)行讀寫，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)。由于實現(xiàn)了FAT文件系統(tǒng)，用戶也可以通過單片機(jī)內(nèi)置的USB接口將本數(shù)據(jù)模塊識別為U盤，用PC機(jī)進(jìn)行讀寫操作。PC （personal computer），個人計算機(jī)一詞源自于1978年IBM的部桌上型計算機(jī)型號PC，在此之前有Apple II的個人用計算機(jī)。能獨立運行、完成特定功能的個人計算機(jī)。個人計算機(jī)不需要共享其他計算機(jī)的處理、磁盤和打印機(jī)等資源也可以獨立工作。今天，個人計算機(jī)一詞則泛指所有的個人計算機(jī)、如桌上型計算機(jī)、筆記型計算機(jī)、或是兼容于IBM系統(tǒng)的個人計算機(jī)等。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)及底層函數(shù)的編寫

　　本文所介紹的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲模塊的文件系統(tǒng)提供正確的時間戳信息，在精簡的系統(tǒng)設(shè)計中，這個部分則可以省略。

　　2.1 MC9S12UF32單片機(jī)

　　Freescale公司生產(chǎn)的這款16位單片機(jī)具有3.5 KBRAM和32 KB Flash EEPROM。它的特點在于擁有USB2.O接口、ATA5接口以及SD／MMC、SmartMedia、MemoryStick等多種存儲卡接口。

　　（1）SDHC模塊

　　SDHC是"Secure Digital High Capacity“的縮寫，即“高容量SD存儲卡”。2006年5月SD協(xié)會發(fā)布了SD 2.0的系統(tǒng)規(guī)范，并在其中規(guī)定SDHC是符合該規(guī)范、容量大于2GB小于等于32GB的SD卡。SDHC的特點就是高容量（2GB-32GB）。另外，SD協(xié)會規(guī)定SDHC必須采用FAT32 文件系統(tǒng)，這是因為之前在SD卡中使用的FAT16文件系統(tǒng)所支持的容量為2GB，并不能滿足SDHC的要求。作為SD卡的繼任者，SDHC主要特征在于文件格式從以前的FAT12、FAT16提升到了FAT32，而且支持32GB。同時傳輸速度被重新定義為Class2、Class4、Class6等級別，高速的SD卡可以支持高分辨視頻錄制的實時存儲。

　　SDl.O規(guī)范協(xié)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。SD卡與SDHC的連接如圖2所示。

　　MC9S12UF32內(nèi)部集成的SDHC模塊支持SD卡1.O版本的物理層協(xié)議，所以本系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)microSD卡（而非SDHC卡），其存儲容量為2 GB。這樣的存儲容量已經(jīng)完全可以滿足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用的需求。

　　（2）MC9S12UF32與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸

　　在完成對時鐘頻率和傳輸數(shù)據(jù)線寬度的配置之后，通過發(fā)送相應(yīng)的讀寫命令就可以實現(xiàn)單片機(jī)與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸了。在單片機(jī)向SD卡寫入數(shù)據(jù)的過程中，編程者將需要寫入的數(shù)據(jù)寫入SDHC模塊的SDATA寄存器（16位）之后，該數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)移至發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO中。與此同時，只要發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO非空，其中的數(shù)據(jù)就會不斷地通過數(shù)據(jù)線被寫入SD卡的相應(yīng)位置。在單片機(jī)從SD卡中讀取數(shù)據(jù)的過程中，SD卡中的數(shù)據(jù)將不斷發(fā)送至接收數(shù)據(jù)FIFO中。

　　2.2 DSl2887實時鐘模塊

　　DSl2887模塊使用數(shù)據(jù)／地址復(fù)用的并行異步總線，可以為單片機(jī)提供100年以內(nèi)的實時鐘信息（年／月／日／時／分／秒）。它內(nèi)部具有石英晶振和鋰電源，首次使用時，需要對該模塊內(nèi)部的寄存器進(jìn)行相應(yīng)配置，激活晶振使其進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　設(shè)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(jìn)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(guān)的buffer，防止在讀寫過程中由于出現(xiàn)時鐘信息自動更新情況而導(dǎo)致的錯誤。系統(tǒng)中，在每次讀寫實時鐘之前，查詢DSl2887內(nèi)部控制寄存器A位UIP是否為O，以避免上述錯誤的產(chǎn)生。因為芯片手冊中給出，一旦UIP=O，那么在244μs內(nèi)實時鐘模塊都不會自動更新當(dāng)前的時鐘信息，而這段時間足以讓單片機(jī)完成讀寫實時鐘的過程。

　　3 FatFS文件系統(tǒng)的移植與配置

　　3.1 FatFS軟件包簡介

　　采用文件系統(tǒng)，是為了在單片機(jī)能夠?qū)D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的同時，保證其讀寫的數(shù)據(jù)能夠被大多數(shù)通用設(shè)備識別。換言之，數(shù)據(jù)在存儲器內(nèi)的組織型式，需要遵循一些已有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

　　當(dāng)前著名的嵌入式文件系統(tǒng)有若干種選擇，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(shù)手冊，除錯更新也十分及時，在本文的設(shè)計中我們采用的是FatFS。

　　FatFS采用使用ANSI C編寫，具有很好的硬件平臺獨立性，使用者只需要對源程序進(jìn)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(jī)上。此外，它的內(nèi)存開銷很小，ROM的占有量在十幾KB的量級，使用者可以根據(jù)不同的應(yīng)用方便的對代碼進(jìn)行裁減。FatFS支持FATl2、FATl6和FAT32，可以建立獨立的緩沖區(qū)對多個文件進(jìn)行讀寫。FatFs是一個通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。 FatFs 的編寫遵循ANSI C，因此不依賴于硬件平臺。它可以嵌入到便宜的微控制器中，如 8051, PIC, AVR, SH, Z80, H8, ARM 等等，不需要做任何修改。

　　3.2 FatFS的移植

　　可從FatFS的主頁上得到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(guān)的函數(shù)；ff.c和ff.h是應(yīng)用函數(shù)，主要涉及FatFS的配置和裁減。

　　移植FatFS的過程中基本不需要對diskio.h和ff.c進(jìn)行修改。除了核實integer.h中的數(shù)據(jù)類型定義是否與MC9S12U32數(shù)據(jù)類型相符之外，移植的重點工作在于diskio.c中6個主要函數(shù)的實現(xiàn)和ff.h中對于文件系統(tǒng)的裁減配置。dikio.c包含的6個接口函數(shù)：disk_initial-ize，disk status，disk ioctl，disk read，disk write和disk_fattime。

　　具體移植過程如下：

　　（1）存儲媒介初始化函數(shù)

　　DSTATUS disk_initialize（BYTE drv）

　　由于采用的存儲媒介是SD卡，所以該函數(shù)的實際功能是對SD卡進(jìn)行初始化。drv是存儲介質(zhì)號碼，由于Tiny-FatFS只支持一個存儲介質(zhì)，所以此處drv始終取O值。執(zhí)行無誤，則返回值=O；執(zhí)行中出現(xiàn)錯誤，則返回非O值。

　　（2）狀態(tài)檢測函數(shù)

　　DSTATUS disk_status（BYTE drv）

　　該函數(shù)用于檢測是否支持當(dāng)前的存儲介質(zhì)。此處的drv仍然恒為O。對Tiny-FatFS而言，只要drv為O，就認(rèn)為支持當(dāng)前介質(zhì)，函數(shù)直接返回O值即可。

　　（3）讀扇區(qū)函數(shù)

　　DRESULT disk read（BYTE drv，BYTE*buff，DWORD seetor，BYTE.count）

　　該函數(shù)是在“單片機(jī)從SD卡讀取一個扇區(qū)”的函數(shù)基礎(chǔ)上編寫而成的，其功能是從SD卡讀取一個或多個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。*buff用于存儲已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)，sector是待讀取扇區(qū)的起始扇區(qū)數(shù)，count是需要讀取的扇區(qū)數(shù)。如果執(zhí)行無誤則返回O值，否則返回非O值。

　　（4）寫扇區(qū)函數(shù)

　　DRESULT disk_write（BYTE drv，const BYTE*buff。DWORD sector，BYTE count）

　　與disk_read相似，該函數(shù)是在“單片機(jī)向SD卡寫入一個扇區(qū)”的函數(shù)基礎(chǔ)上編寫而成的，其功能是向SD卡導(dǎo)入一個或多個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。*buff用于保存將要寫入的數(shù)據(jù)，sector是待寫入扇區(qū)的起始扇區(qū)數(shù)，count是需要寫入的扇區(qū)數(shù)。如果執(zhí)行無誤，則返回0值；否則，返回非0值。

　　（5）存儲介質(zhì)控制函數(shù)

　　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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。使用者可以在此函數(shù)里添加自己需要的功能代碼，例如獲得存儲介質(zhì)的容量、扇區(qū)數(shù)等。如果是簡單的應(yīng)用，也可以不執(zhí)行任何功能，直接返回0值。

　　（6）實時鐘函數(shù)

　　DWORD disk_fattime（Void）

　　該函數(shù)將讀取的實時鐘信息保存在一個32位無符號整數(shù)中，并將其作為函數(shù)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(shù)，可以實現(xiàn)創(chuàng)建、讀取文件夾，創(chuàng)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。FatFS提供的函數(shù)與宏的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

　　FatFS的裁減，不僅僅是函數(shù)層面的。更重要的是，在內(nèi)部機(jī)制上形成一個精簡版本，稱為Tiny-FatFS。它與標(biāo)準(zhǔn)版FatFS相比，主要的區(qū)別在于Tiny-FatFS僅支持一個物理存儲介質(zhì)，而且不再針對每個開啟的文件建立512字節(jié)的緩存，整個文件系統(tǒng)和物理介質(zhì)使用同一個緩存。顯然，Tiny-FatFs需要的內(nèi)存開銷比標(biāo)準(zhǔn)版FatFS更低，只要1 KB左右的RAM。

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

　　4 FatFS文件系統(tǒng)的使用

　　FatFS文件系統(tǒng)中涉及2個基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：文件系統(tǒng)（磁盤）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FATFS和文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FIL。這兩個結(jié)構(gòu)是FatFS軟件主要的RAM開銷，F(xiàn)ATFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有針對磁盤的512字節(jié)讀寫緩存，F(xiàn)IL則有針對每個文件的緩存。

　　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(fù)數(shù)讀取，但完全不支持對同一文件同時復(fù)數(shù)的寫入操作，因為這會引起文件系統(tǒng)錯誤。具體每一個函數(shù)，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(tǒng)具有突然掉電的可能性，一些關(guān)鍵代碼段可能導(dǎo)致文件系統(tǒng)錯誤，所以要注意調(diào)用f_sync（）及時寫入。當(dāng)然，如果是一組連續(xù)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(dāng)前路徑的概念，這將影響兩個相關(guān)函數(shù)的參數(shù)。

　　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(jù)代碼頁增加一個很大的轉(zhuǎn)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(jié)語

　　MC9S12UF32單片機(jī)內(nèi)部集成的SDHC模塊，可將SD總線轉(zhuǎn)換為單片機(jī)內(nèi)部的IP總線，開發(fā)者只需要對SD協(xié)議的基本內(nèi)容有所了解，通過讀寫相應(yīng)的寄存器就可以方便地實現(xiàn)對SD卡的底層讀寫，大大簡化了硬件的開發(fā)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(tǒng)中，研發(fā)者只需要對該軟件包的diskio.c和ff.h進(jìn)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(shù)。

　　應(yīng)用上述主要技術(shù)實現(xiàn)的具有嵌入式文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊如圖4所示。

　　該模塊體積小巧、存儲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)備上讀寫數(shù)據(jù)。