嵌入式文件系統(tǒng)介紹

嵌入式文件系統(tǒng)是指嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)文件存取、管理等功能的模塊，提供一系列文件輸入輸出等文件管理功能，為嵌入式系統(tǒng)和設(shè)備提供文件系統(tǒng)支持。在嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通常需要對信息進(jìn)行存取操作，當(dāng)任務(wù)運行的時候，任務(wù)可以在其任務(wù)堆棧中存放少量信息，但是存儲量要受到內(nèi)存空間的嚴(yán)格限制，而且在內(nèi)存空間中的信息隨著任務(wù)的退出而消失，不適于存放要長期保存的信息。另一方面，一些公共信息為多個任務(wù)所共享，需要這些信息獨立于具體的任務(wù)而存在。

嵌入式系統(tǒng)和桌面系統(tǒng)一樣，為用戶提供文件系統(tǒng)以方便信息的處理。嵌。入式文件系統(tǒng)以普通桌面操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，但兩種文件系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和自身的要求又有很大的不同：在普通桌面操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)不僅要管理文件，提供文件系統(tǒng)調(diào)用API，還要管理各種設(shè)備，支持對設(shè)備和文件操作的一致性。而在嵌入式文件系統(tǒng)中，由于大部分嵌入式系統(tǒng)都是針對特殊目的定制的，因而對嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)功能的模塊化和可裁減性提出了更高的要求。

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用條件往往比桌面計算機惡劣的多，在惡劣使用環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性還要得到足夠的保障，通用的文件系統(tǒng)對于可靠性和文件系統(tǒng)自身的安全性并沒有特殊的保障機制，因此無法保證這些性能。所以，雖然有許多已經(jīng)較為成熟的桌面操作系統(tǒng)下的文件系統(tǒng)，如DOS下的FAT文件系統(tǒng)、WINDOWS NT下的NTFS文件系統(tǒng)以及UNⅨ下的inocde文件系統(tǒng)等，但這些文件系統(tǒng)都不能直接適用于嵌入式系統(tǒng)。要想適用于嵌入式系統(tǒng)，必須進(jìn)行重新設(shè)計。嵌入式文件系統(tǒng)應(yīng)該借鑒成熟的桌面文件系統(tǒng)，并且進(jìn)一步根據(jù)具體的硬件環(huán)境以及應(yīng)用需求來設(shè)計文件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。嵌入式文件系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)的重要組成部分，對于實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的存儲和各種操作的管理，有著不可替代的作用。

嵌入式文件系統(tǒng)雖然繼承了通用文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，但由于功能和作用與普通桌面操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不同，同時又有自己的特點：

在嵌入式系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的一個組成模塊。它是作為系統(tǒng)的一個可加載選項提供給用戶，由用戶決定是否需要加載它。

需要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、代碼量小的特點，合理地對文件存儲器進(jìn)行管理。嵌入式系統(tǒng)中的文件存儲器空間相對不會太大，必須對其進(jìn)行高效的管理，以避免對資源的浪費。

使用簡單便捷。用戶只要知道文件名、文件路徑等簡單信息特征，就可以方便地對文件進(jìn)行操作，不必知道文件在具體物理存儲空間的運作過程。

安全可靠。對文件、數(shù)據(jù)的保護(hù)是文件系統(tǒng)的基本功能。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用通常要求系統(tǒng)必須有較高的可靠性。

支持多種存儲設(shè)備、可伸縮、可剪裁、可移植等特點。嵌入式應(yīng)用的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，其采用的硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)也各不相同。為了適應(yīng)這種差異性，文件系統(tǒng)應(yīng)降低對具體硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)的依賴，具備良好的可移植性。

為滿足嵌入式環(huán)境中文件系統(tǒng)精準(zhǔn)的提供時間功能，使存儲在外部介質(zhì)ＳＤ卡中的文件包含創(chuàng)建、修改、訪問等詳細(xì)時間信息，提出采用高精度實時時鐘芯片 ＤＳ３２３１為文件系統(tǒng)提供連續(xù)精準(zhǔn)的時間信息的解決方案。介紹了 ＳＤ 卡存儲結(jié)構(gòu)，詳細(xì)探討了 ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)在嵌入式環(huán)境中的移植方法，設(shè)計了 ＤＳ３２３１與 Ｃ８０５１Ｆ５００單片機進(jìn)行通信時的硬件接口連接，通過Ｉ２Ｃ總線實現(xiàn)對 ＤＳ３２３１時間信息的讀寫。系統(tǒng)測試表明，ＤＳ３２３１能夠連續(xù)不斷地給嵌入式文件系統(tǒng)提供精準(zhǔn)時間信息。

DS3231支持I2C總線協(xié)議

DS3231支持雙向I2C總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。I2C總線控制系統(tǒng)中，控制信號發(fā)送與接受的設(shè)備稱為主設(shè)備，由主設(shè)備控制的設(shè)備為從設(shè)備。主設(shè)備來控制產(chǎn)生串行時鐘SCL，總線訪問，以及來產(chǎn)生START和STOP的條件。［1］

DS3231在I2C總線上是作為從設(shè)備來工作的，同時DS3231還支持兩種頻率模式的工作，分別為標(biāo)準(zhǔn)模式（時鐘頻率100KHz）和快速模式（時鐘頻率400KHz）。

下面是總線條件：

開始條件：當(dāng)SCL處于高電平時，SDA由高電平變成低電平時構(gòu)成一個開始條件； 停止條件：當(dāng)SCL處于高電平時，SDA由低電平變成高電平時構(gòu)成一個停止條件； 數(shù)據(jù)傳輸：產(chǎn)生在開始條件之后，如果時鐘信號為高電平期間數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，則此時數(shù)據(jù)線狀態(tài)代表有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須在時鐘信號為低電平期間改變。

應(yīng)答：數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進(jìn)行，DS3231在第九個時鐘周期時將SDA置位為低電平，即送出一個確認(rèn)信號，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)被收到。

DS3231在嵌入式環(huán)境文件系統(tǒng)中的應(yīng)用

艦船自動舵參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計中，大量的自動舵參數(shù)數(shù)據(jù)都存儲在外部介質(zhì)ＳＤ卡中。為使存儲的采集數(shù)據(jù)可直接在ＰＣ機上讀取、處理，需要使用文件系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)格式。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對文件的管理規(guī)則，也是操作系統(tǒng)的重要組成部分，而操作系統(tǒng)對處理器要求比較高，且占用一定的存儲空間，艦舵參數(shù)采集系統(tǒng)微處理器Ｃ８０５１Ｆ５００沒有操作系統(tǒng)，這就需要在ＳＤ卡上建立文件系統(tǒng)。而建立文件系統(tǒng)就需要實時時鐘來管理數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等詳細(xì)時間信息。

通常用的單片機沒有實時時鐘部件，如果需要此功能就得使用定時器來實現(xiàn)，而一旦系統(tǒng)掉電時鐘就不能運行，嵌入式文件系統(tǒng)就沒有了時鐘，這與設(shè)計要求不相符。高精度實時時鐘芯片ＤＳ３２３１不僅能夠在一定溫度范圍內(nèi)提供優(yōu)于２ｍｉｎ／年的計時精度，而且包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計時。因此，本文提出通過ＤＳ３２３１時鐘芯片連續(xù)不斷地給嵌入式文件系統(tǒng)提供實時時鐘的方案。

存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ＳＤ卡存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示，Ｃ８０５１Ｆ５００單片機是主控芯片，通過ＳＰＩ接口與ＳＤ卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采集的數(shù)據(jù)在ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)管理下，以文件形式存儲于ＳＤ卡中，如．ｔｘｔ、．ｄｏｃ、．ｄａｔ等。

ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

目前常用的文件系統(tǒng)有兩類：基于微軟Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的ＦＡＴ１６、ＦＡＴ３２、ＮＴＦＳ、ｅｘＦＡＴ文件系統(tǒng)；Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)下的ＥＸＴ２、ＥＸＴ３、ＥＸＴ４。Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)使用廣泛，且ＳＤ卡容量比較大，因此這里選用ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)。

ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的實現(xiàn)方法可以分為：直接法，分析ＦＡＴ３２文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，遵循文件生成機制，編寫程序代碼實現(xiàn)功能；移植法，移植ＦＡＴ文件系統(tǒng)模塊，調(diào)用其提供的應(yīng)用接口函數(shù)，同樣可以實現(xiàn)功能。

目前比較流行使用的ＦＡＴ文件系統(tǒng)模塊主要有：周立功公司的ｚｌｇ／ＦＳ、Ｍｉｃｒｉｕｍ公司的μＣ／ＦＳ、Ｓｏｕｒｃｅ－Ｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ網(wǎng)站上發(fā)布的開源項目ｅｆｓｌ，以及日本電子愛好者設(shè)計并維護(hù)的ＦＡＴＦＳ文件系統(tǒng)模塊。以上４個文件系統(tǒng)模塊各有特點：ｚｌｇ／ＦＳ因讀寫速率較慢，主要用于實驗教學(xué)；Ｍｉｃｒｉｕｍ公司的μＣ／ＦＳ一般在商業(yè)上使用；ｅｆｓｌ及ＦＡＴＦＳ都是免費開源軟件，ＦＡＴＦＳ相對成熟一些。

本文采用了移植ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ方法，ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)的Ｃ語言編程，具備良好的硬件平***立性，移植到８０５１、ＡＶＲ等單片機上，只需簡單修改。它還支持ＦＡＴ１２、ＦＡＴ１６和ＦＡＴ３２，以及多個存儲介質(zhì)，可以對多個文件進(jìn)行讀／寫。ＦＡＴＦＳ整體框架如圖２所示。

頂層是應(yīng)用層，調(diào)用ＦＡＴＦＳＭｏｄｕｌｅ提供的一系列ＡＰＩ函數(shù)（如：ｆ＿ｏｐｅｎ、ｆ＿ｒｅａｄ、ｆ＿ｗｒｉｔｅ、ｆ＿ｃｌｏｓｅ等），用戶即使不理解ＦＡＴ協(xié)議，也可以利用應(yīng)用接口函數(shù)輕松地讀／寫文件；中間層完整地實現(xiàn)ＦＡＴ文件讀／寫協(xié)議，用戶無需對此進(jìn)行任何修改；底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，需要用戶編寫代碼，它包括存儲介質(zhì)的讀／寫接口ＤｉｓｋＩ／Ｏ和文件創(chuàng)建修改時間所需的實時時鐘。

嵌入式文件系統(tǒng)的移植可以分為３步：編寫ＳＤ卡的通信函數(shù)，編寫ＲＴＣ時鐘函數(shù)和ＦＡＴＦＳ的移植。

編寫ＲＴＣ時鐘函數(shù)實際上就是給文件系統(tǒng)時鐘函數(shù)ＤＷＯＲＤｇｅｔ＿ｆａｔｔｉｍｅ（Ｖｏｉｄ）賦值，連續(xù)提供給文件系統(tǒng)一個實時時鐘。ＤＷＯＲＤｇｅｔ＿ｆａｔｔｉｍｅ（Ｖｏｉｄ）需要ＲＴＣ函數(shù)支持，返回一個３２位無符號整數(shù)，時鐘信息包含在這３２位中，如圖３所示。

ＤＳ３２３１實時時鐘芯片

ＤＳ３２３１器件

ＤＳ３２３１是Ｍａｘｉｍ公司生產(chǎn)的一款低成本、超高精度的Ｉ２Ｃ總線實時時鐘芯片，該器件不僅能夠在一定溫度范圍內(nèi)提供優(yōu)于２ｍｉｎ／年的計時精度，而且省去了制造過程中晶振安裝和布線校準(zhǔn)的工作。

ＤＳ３２３１實時時鐘（ＲＴＣ），具有集成的溫補晶體振蕩器（ＴＣＸ０）和１個３２．７６８ｋＨｚ的晶振，該晶振包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計時。集成晶體振蕩器可提供器件的長期精確度，并減少生產(chǎn)的元件數(shù)。ＤＳ３２３１提供商級和工業(yè)級溫度范圍，采用１６引腳、３００ｍｉｌ的ＳＯ封裝。ＲＴＣ保持秒、分、時、星期、日期、月和年信息。當(dāng)遇到少于３１天的月份，將自動調(diào)整月末日期，包括閏年補償。時鐘可以工作于２４小時模式或帶ＡＭ／ＰＭ指示的１２小時。提供２個可編程日歷鬧鐘和１路可編程方波輸出。地址與數(shù)據(jù)通過Ｉ２Ｃ雙向串行傳輸。通過精密的、經(jīng)過溫度補償?shù)?a target="_blank">電壓基準(zhǔn)和比較器來監(jiān)視ＶＣＣ狀態(tài)，檢測電源故障，提供復(fù)位輸出，并在必要時自動切換到備用電源。另外，ＲＳＴ監(jiān)視引腳可作為手動按鈕輸入，以產(chǎn)生外部復(fù)位信號。

ＤＳ３２３１與單片機Ｃ８０５１Ｆ５００的硬件連接

圖４為高精度實時時鐘芯片ＤＳ３２３１與主控制器Ｃ８０５１Ｆ５００單片機的接口連接電路。

ＤＳ３２３１的主要引腳功能說明：ＶＣＣ用于主電源的ＤＣ引腳；ＩＮＴ／ＳＱＷ為低電平有效中斷或方波輸出；ＲＳＴ是低電平有效復(fù)位引腳；ＧＮＤ為地；ＶＢＡＴ為備用電源輸入；ＳＤＡ為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出；ＳＣＬ為串行時鐘輸入。

Ｃ８０５１Ｆ５００通過Ｉ２Ｃ總線與ＤＳ３２３１連接，ＤＳ３２３１的ＶＣＣ接系統(tǒng)電源ＶＣＣ，ＶＢＡＴ為備用電源輸入，該引腳應(yīng)該連接一個低泄漏電容去耦。ＩＮＴ／ＳＱＷ為低電平有效中斷或方波輸出，該漏極開路輸出要求外接上拉電阻，如果不使用，可保持開路。微控制器主要通過Ｉ２Ｃ總線向時鐘芯片ＤＳ３２３１寫時間信息，ＤＳ３２３１以寫入的時間信息為基準(zhǔn)精確走時。上電后，微控制器從時鐘芯片讀取時間信息并存入內(nèi)存供系統(tǒng)使用，器件每隔６４ｓ測量一次溫度，通過調(diào)節(jié)晶振的負(fù)載電容，使其在指定溫度達(dá)到２ｐｐｍ的精度，最終達(dá)到提高時鐘精度的目的。即使系統(tǒng)斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內(nèi)的實時數(shù)據(jù)仍能被正確讀出。

與嵌入式文件系統(tǒng)有關(guān)的特性

ＤＳ３２３１電源供電方式

ＤＳ３２３１有兩個電源引腳ＶＣＣ和ＶＢＡＴ，分別連接電源ＶＣＣ和備用電池，它們之間的切換由溫度補償電壓基準(zhǔn)（ＶＰＦ）和監(jiān)視ＶＣＣ電平的比較器電路控制。當(dāng)ＶＣＣ高于ＶＰＦ時，ＤＳ３２３１由ＶＣＣ供電，當(dāng)ＶＣＣ低于ＶＰＦ但高于ＶＢＡＴ時，ＤＳ３２３１由ＶＣＣ供電；當(dāng)ＶＣＣ低于ＶＰＦ和ＶＢＡＴ時，ＤＳ３２３１由ＶＢＡＴ供電；如果用一節(jié)容量為３８ｍＡｈ的電子表用紐扣鋰電池作備用電池，在系統(tǒng)掉電時電流損耗最大為３．５μＡ，則至少供電時間為：

ｔ＝３８×１０－３／３．５×１０－６＝１０８５７ｈ

按照這個理論，可以粗略估計備用電池供電時間，能夠滿足實際需要。

ＤＳ３２３１采用Ｉ２Ｃ總線通信方式

單片機Ｃ８０５１Ｆ５００通過讀取時鐘芯片ＤＳ３２３１的值來給文件系統(tǒng)提供日期時間，也可以寫入ＤＳ３２３１一個任意的時間初始值，讓其依據(jù)設(shè)定值開始計時，這就要求研究這兩者之間的通信模式。ＤＳ３２３１工作于讀和寫兩種模式。

（１）ＤＳ３２３１寫模式

通過ＳＤＡ線和ＳＣＬ線來接收串行數(shù)據(jù)和時鐘，收到每個字節(jié)后，發(fā)送應(yīng)答位，ＳＴＡＲＴ和ＳＴＯＰ條件作為串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。軟件設(shè)計流程如圖５所示。首先調(diào)用ＳＴＡＲＴ＿ＩＩＣ（）函數(shù)使單片機產(chǎn)生開始條件，再通過ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函數(shù)，發(fā)送ＤＳ３２３１寫地址，然后發(fā)出應(yīng)答信號，接下來單片機向ＤＳ３２３１發(fā)送一個字地址（秒、分、時、日、月、年地址），產(chǎn)生應(yīng)答信號后，再發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)（秒、分、時、日、月、年數(shù)據(jù)）至ＤＳ３２３１設(shè)定初始化時間。產(chǎn)生應(yīng)答信號后，調(diào)用ＳＴＯＰ＿ＩＩＣ函數(shù)來使單片機產(chǎn)生終止數(shù)據(jù)寫入條件。

（２）ＤＳ３２３１讀模式

接收和處理字節(jié)的方式與寫模式相同，但是在這種模式下，方向位指示的傳輸方向是相反的。ＤＳ３２３１向ＳＤＡ發(fā)送串行數(shù)據(jù)，并由ＳＣＬ輸入串行時鐘。軟件設(shè)計流程如圖６所示。單片機產(chǎn)生ＳＴＡＲＴ條件后，通過ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函數(shù)發(fā)送ＤＳ３２３１寫地址，產(chǎn)生應(yīng)答信號后，發(fā)送一個字地址（秒、分、時、日、月、年地址）；產(chǎn)生應(yīng)答信號后再通過ＳｅｎｄＢｙｔｅ（）函數(shù)發(fā)送ＤＳ３２３１讀地址；產(chǎn)生應(yīng)答信號后，通過函數(shù)ＲｃｖＢｙｔｅ（）從ＤＳ３２３１讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)（秒、分、時、日、月、年數(shù)據(jù)）來獲取時間；產(chǎn)生應(yīng)答信號后，最后調(diào)用ＳＴＯＰ＿ＩＩＣ函數(shù)來使單片機產(chǎn)生終止數(shù)據(jù)讀取條件。

系統(tǒng)測試及結(jié)果

在系統(tǒng)測試中，Ｃ８０５１Ｆ５００選用了２２．１１８４００ＭＨｚ的外部晶振，存儲介質(zhì)選用了金士頓８ＧＢＳＤＨＣ卡，分別在主電源供電５Ｖ和ＬＩＴＨＩＵＭＣＥＬＬＧＲ１２２０紐扣電池供電３Ｖ的情況下，對１９８０年之后的年、月、日、時、分、秒等時間信息進(jìn)行設(shè)定任意初始值，并在ＰＣ機上查看了存儲在ＳＤ卡中的數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等具體時間信息。測試結(jié)果表明，不論在主電源供電還是備用紐扣電池供電情況下，存儲在ＳＤＨＣ卡上的文件能夠精確顯示年、月、日、時、分、秒等時間信息。

本文提出的通過ＤＳ３２３１高精度時鐘芯片給嵌入式文件系統(tǒng)提供實時時間的方案具有可行性，解決了存儲在ＳＤ卡上的采集數(shù)據(jù)文件沒有實時時間的問題，并且在系統(tǒng)掉電情況下，通過一個紐扣鋰電池仍然能夠長時間連續(xù)不斷地提供精確的年、月、日、時、分、秒等時間信息，滿足了艦舵參數(shù)采集設(shè)計中對存儲在ＳＤ卡上的數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等時間信息的實際要求。