基于S3C2410和CF卡的FAT32开发

1 引言

随着计算机应用技术的飞速发展，移动存储设备得到了广泛的应用。CF(Compact Flash)卡以其能捕获、保存、传送数据、及其它音像信息的设计理念诞生于1994年，它是最早推出的闪存卡。由于CF卡具有价格低廉、体积小、存储容量大、高速等特点，因此被广泛地应用于数码相机、PDA和笔记本电脑等那些需要高速采样、实时记录数据、然后再将数据传入计算机进行分析处理的仪器和设备中。

由于CF卡中存储的信息要能从PC机上读取出来，所以必须采用一种标准的格式组织数据，通常采用的方法是在CF卡中内嵌文件系统。目前，市场上存在多种商用的嵌入式操作系统可以支持文件系统，但这些操作系统对硬件要求一般都比较高，价格昂贵，且要额外占用一定量的存储空间。由于成本等方面的限制，较少使用嵌入式操作系统，因此很有必要开发一种不依赖于商用操作系统的标准文件系统。在此本文介绍了按照FAT32格式实现的基于S3C2410的CF卡文件系统。

2 CF卡简介

CF存储卡内嵌单片控制器及闪存模块，连接口为25针双排的母插口，点距为50mil(1.27mm)。CF卡内部结构模块图如图1所示。

图1 CF存储卡模块图

主控制器通过一个50针的连接器与CF卡连接。连接器为每排25针（1.27mm）的公插头。

CF卡的存取方式有三种：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式与PCMCIA标准兼容。True IDE模式与ATA标准兼容。

3 S3C2410与CF卡接口设计

本系统采用了ARM公司的32位嵌入式微处理器S3C2410。ARM 系列嵌入式微处理器，以其低功耗、高性能等突出优点已在32位嵌入式应用中稳居世界第一，成为高性能、低功耗嵌入式处理器的代名词。ARM核已是现在嵌入式SoC系统芯片的核心，也是现代嵌入式系统发展的方向。

S3C2410与CF卡的硬件连接关系如图2所示，通过改变CPLD内部逻辑关系可以实现三种模式。由于在True IDE模式下，CF卡与主机通信的信号最少，硬件接口最简单、软件易于实现，因此本设计采用了True IDE模式。

图2 S3C2410与CF卡的硬件连接关系图

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在True IDE模式下，某些信号有特殊的含义，必须采用True IDE模式下特有的设置方法,如表1True IDE模式I/O解码所示:

表1  True IDE模式I/O解码

 
nCE1是任务文件寄存器片选信号，低电平有效；nCE2是交替状态(Alternate Status)寄存器和设备控制(Device Control)寄存器片选信号，也是低电平有效。因为实际操作中，极少使用交替状态寄存器和设备控制寄存器，所以对CF卡的操作实际就是对任务文件寄存器的操作。因此，一般设置nCE1=0，nCE2=1。主机操作CF卡时，系统仅使用地址总线A2～A0，用于选择组成任务文件寄存器的8个寄存器之一。表1中，nCE1=0时，对应的8个寄存器统称为任务文件寄存器。

需要注意的是，在True IDE模式下，nOE不是读使能信号，而是CF卡True IED模式的使能信号。CF卡上电时，若nOE(PIN9)为"0"，则CF卡自动进入True IDE模式；若nOE="1"则进入PC Card 模式。当电源一直接通时，热拔插CF卡将会使其从原来的True IDE模式重新配置成PC Card模式。因此，热插拔过程中，为了使CF卡工作在True IDE模式，需要在CF卡加电启动的同时，将nOE信号接地。实现的方法：在CPLD中将nOE置0。True IDE模式下，nWE也不用作写使能信号，而应该由主机将之接地。处理方法：在CPLD中将其只置为1。

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还有一点需要注意的是Reset信号在True IDE 模式下低电平有效，而在其它模式下高电平有效。将Reset信号接到S3C2410的系统复位信号nReset。

4 系统软件构成

目前, 在PC机DOS/Windows的管理下, 广泛使用的是FAT12、FAT16 和FAT32 文件系统,

FAT12一般用于软盘, FAT16 和FAT32 则用于硬盘。本系统采用FAT32文件系统。   

FAT文件系统的卷由4个基本的区组成，它们在卷中的排列顺序如下：

0——保留区（引导区）；
1——FAT区；
2——根目录区(FAT32中存在的是浮动的FDT表)；
3——文件和目录数据区。

FAT卷中第1个重要的数据结构BPB(BIOS Parameter Block)，它位于卷的保留区内第1个扇区中，BPB参数块记录着分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数, 分配单元大小等重要参数。文件分配表FAT，从逻辑1扇区开始, 它是文件管理系统用来给每个文件分配磁盘物理空间的表格, FAT文件分配表由表标识和簇映射的集合组成, 一个完全相同的镜像副本连续存储在主FAT表后, FAT的全部目的就是跟踪文件, 具体描述即需要说明整个磁盘分区中的每个存储单元(簇) 的使用情况、文件数据的簇存储情况(连续或碎片) 以及树型目录结构的描述。FAT实际上就是一个卷中所有簇使用情况的映射表, 每个文件、目录都同表中的若干项对应联系, 并在目录中进行索引。FAT之后就是根目录, 记录整个磁盘上所有文件的有用信息, 其中每一个文件占32个字节, 包括文件名、文件属性、文件的修改时间和文件的长度等等。根目录接下来是数据区, 用来存储采集的数据等信息。

在CF卡上进行文件读写操作过程如下：CF卡读写以扇区为单位，每扇区为512字节，每次可读写一个或多个连续的扇区。在CF卡读写时，分别向扇区计数、扇区号、低柱面、高柱面、选择卡／磁头寄存器写入CF卡需要访问的扇区位置，其写入模式有2种：即 CHS(Cylinder／Head／Sector)模式和LBA(Logical Block Address)模式。通过设置选择卡／磁头寄存器的第6位LBA确定其模式：即如果LBA=0，则为CHS模式；如果LBA=I，则为LBA模式。本设计采用LBA寻址方式访问CF卡数据。

S3C2410对CF卡读扇区数据时首先分别向扇区计数、扇区号、低柱面、高柱面、选择卡／磁头寄存器写入相应的数据指定需要读写的扇区；再向命令寄存器写20H，读取状态字为58H后读取数据；最后读取命令寄存器的状态字，如果为50H表示没有错误， CF卡进入待命状态。

S3C2410对CF卡向指定扇区写数据的命令是30H，其操作与读数据相似，只不过在写入数据后要等到CF卡中数据稳定并进入空闲状态才能结束这一过程。

通过对CF卡写入命令ECH就可以读出1个扇区，其中包含了该CF卡的一些参数的信息，如容量、默认的柱面数、默认的磁头数、每个扇区的字节数、每个磁道的扇区数和CF卡上总的扇区数等，以此来判断是否需要格式化CF卡。在格式化后的CF卡中，具有FAT文件系统结构。

FAT32文件系统在CF卡上工作时，首先初始化文件系统；再建立一个目录；然后读/写 一个文件；接着删除这个文件和目录；最后关闭文件系统。   

//初始化文件系统
DiskInit();                          //初始化逻辑盘信息管理模块
AddFileDriver(CFCammand);            //加载CF卡底层驱动程序
FileInit();                          //初始化文件指针系统
 
//建立一个目录
ChangeDrive(“a:”);       //改变当前逻删除一个底层驱动程序辑盘
MakeDir(“dir2.dir”);     //建立目录
ChangDir(“a:\dir2”);    //改变当前目录

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//读/写一个文件
FHandle = FileOpen(“a.txt”,w”);     //以指定方式打开文件
If  (FHandle != Not_Open_FILE)
 {
         FileSeek(FHandle,0,SEEK_END); //移动文件读/写位置
           FileWrite(S,6, FHandle);      //写文件
            FileClose(FHandle);            //关闭指定文件
  }
FHandle = FileOpen(“a.txt”,r”);
If  (FHandle != Not_Open_FILE)
  {
            FileSeek(FHandle,0,SEEK_END);
            FileRead(buf,6, FHandle2);   
            FileClose(FHandle);
  } //删除这个文件、目录，最后关闭文件系统
RemoveFile(S);                             //删除文件
ChangeDir(“a:\”);                       //改变当前目录
RemoveDir(“dir2”);                       //删除目录
RemoveFileDriver(GetDrive(“a”)); //GetDrive(“a”)—获取指定目录的逻辑盘号 
                                  // RemoveFileDriver—删除一个底层驱动程序

5 结论

按照FAT32文件格式,在S3C2410的应用系统中,实现了基于CF 卡的基本文件系统功能,如读写、创建、删除和复制文件,创建、打开和删除子目录以及返回上级目录等,且能与其他支持FAT32的系统交互信息。该系统可以很方便地进行存储容量的扩展, 而且耗电量低, 满足了长期大量数据存储的要求, 存储的文件与现在广泛使用的windows操作系统兼容, 更加方便了高速采样等场合的数据采集和回放分析。系统的扩展性强, 可以很方便地应用在各种工业现场以及小型便携式嵌入式系统中, 在数据采集存储方面更加灵活、稳定, 摆脱了操作系的限制。

本论文的创新点：介绍了一种不依赖于商用操作系统而按照FAT32格式实现的基于S3C2410的CF卡标准文件系统，使得CF卡中存储的信息能从PC机上读取出来。

参考文献
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[2] 毛晓燕.基于8051的CF卡文件系统实现[ J ]. 自动化仪表, 2003, 24 (6) : 23 ～ 37.
[3] 姚放君.嵌入Compact Flash卡接口设计[ J ]. 计算机应用研究, 2003,(6) : 225 ～227.
[4] 田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社.2005.3