文件系统在EEPROM中的应用

摘要: 介绍文件系统在Atmel公司的EEPROM芯片AT24C512中的应用。本文主要针对嵌入式Linux系统，通过编写EEPROM的块设备驱动程序，并格式化为相应的文件系统，从而达到按文件方式存取EEPROM的目的。

关键词: EEPROM; AT24C512； Linux； 文件系统

引言

　　在嵌入式系统中，EEPROM凭借使用简单、性能可靠、价格低廉的特点而广泛应用于小量而又重要的数据存储领域。目前，嵌入式产品层出不穷，应用繁多，相应的EEPROM随之出现。其中，两线EEPROM因其引脚少、封装小得到广泛应用。本文主要针对两线EEPROM AT24C512来创建文件系统，当然也适用于其他同类产品。

1  AT24C512简介[1]

　　AT24C512是Atmel公司生产的串行电可擦的可编程存储器。它采用8引脚封装，具有可掉电记忆、结构紧凑、64 KB存储容量等特点，可以在2线总线上并接多片芯片，适用于具有较大容量重要数据存储要求的嵌入式系统。

1.1  封装及引脚介绍

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图1  AT24C512引脚图

　　AT24C512有多种封装：TSSOP、PDIP、SOIC、dBGA2、SAP等。其引脚顺序如图1所示。

A0,A1：设备地址。当串行总线上挂接多片EEPROM芯片时，用这个地址来区分各芯片。
SDA：串行数据。
SCL：串行时钟。
WP：写保护。低电平写允许，高电平写禁止。
VCC：电源。
GND：地。
NC：悬空。

1.2  芯片操作简介

(1) 设备寻址（device addressing）

　　在读写EEPROM前，需要一个开始标志和一个8位的设备地址去寻址。其设备地址格式如下：

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　　其中，最后一位为读写操作位，1表示读操作，0表示写操作。[!--empirenews.page--]

(2) 写操作

　　AT24C512提供字节写和128字节页写功能。字节写与页写操作主要区别在于：后者不需要每写入一字节就提供一个结束标志，而是在处理器得到应答信号后继续写入数据，直到写完小于等于一页的数据。字节写和页写的操作如图2和图3所示。

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图2字节写操作

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图3页写操作

(3) 读操作

　　AT24C512的读操作有多种模式，包括当前地址读、随机地址读和连续多字节读3种方式。读操作基本与写操作同。当前地址读操作不发送片内地址，每次只读取当前地址的数据，片内读地址自动加1，直到读完整片EEPROM后置0。随机地址读操作需先指定片内地址，然后读出数据。而连续多字节读操作则综合了上述两种方式，既可以是当前地址读，也可以是随机地址读。每当处理器接收到一字节数据后返回一个ACK，EEPROM收到此ACK后地址自动加1，接着输出下一个字节数据，直到控制器返回NO ACK时，读过程结束。

2  AT24C512与主控芯片的连接

　　采用Atmel公司的工控芯片AT91RM9200[2]作为主控芯片。AT91RM9200有专用两线接口，可用来连接AT24C512。AT24C512与主控芯片的连接如图4所示。

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图4  AT24C512与主控芯片的连接电路

　　由于AT91RM9200内部有两线控制器，因此对AT24C512的访问只需操作AT91RM9200的内部寄存器，而无需人为模拟AT24C512的访问时序。这为编程提供了方便，同时也保证了可靠性。这里以写操作的流程为例，简要介绍在主控芯片AT91RM9200下如何对AT24C512进行编程，如图5所示。

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图5  写流程

3  Linux块设备驱动

3.1  Linux块设备驱动模型[3]

　　在Linux系统中（本文使用Linux内核2.6.28），设备驱动程序通常有固定的模式，既为编写具体的驱动程序提供了方便，也减少了错误的发生。在编写块设备驱动程序时，首先用register_blkdev注册块设备，之后分配处理函数。处理函数主要包括：request函数，当有读写操作时内核会调用该函数；open函数，用于打开设备；release函数，用于释放设备；ioctl函数，用于查询或设置一些信息。最后向内核注册磁盘。在这个过程中，最重要的一个结构是struct gendisk。上述所描述的处理函数都被写入该结构体，将该结构体必要的字段赋值后，就可使用add_disk将该结构体添加入内核。此时，磁盘设备将被激活，并随时会调用它提供的方法。[!--empirenews.page--]

3.2  在块设备驱动中访问EEPROM

　　为了访问EEPROM，就需要将对EEPROM的操作与块设备驱动关联起来。首先是在块设备驱动初始化代码中调用at91_twi_init对EEPROM进行初始化，然后在块设备传输函数block_transfer中调用AT91_TWI_Read和AT91_TWI_Write进行读写操作，这样就使得块设备驱动和EEPROM关联起来了。

　　为了提高效率，在对EEPROM写操作时采用页写模式。这里要注意的是，需要对写入的数据进行分割，因为AT24C512 提供的是128字节页写功能，如果多于128字节，需分成128字节的倍数。同时注意，在一次写结束时，应等待1个写周期时间，再进行其他的操作；在进行读操作时，为了提高效率，应采用连续多字节读方式。

4  建立文件系统

　　为了按文件方式存取EEPROM，在块设备之上建立文件系统是必要的。由于AT24C512只有64 KB的容量，建立文件系统时，应该选择本身占用空间少的文件系统。当然这要根据具体需求来作出决定。

　　下面以msdos、minix、ext2文件系统为例作个比较。首先分别使用mkdos、mkfs.minix、mke2fs 对块设备格式化，并挂载到某个目录下。在未写入任何文件数据的情况下，其结果如表1所列。

表1  文件系统对比
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　　AT24C512 EEPROM只有64 KB容量，相比磁盘等大容量的存储设备，除稳定性外，最主要考虑的是有效空间利用率。从表1中可以看出，在这3种文件系统中，msdos文件系统的空间利用率要高一些，minix文件系统次之，ext2文件系统最低。但是msdos文件系统的缺点是只支持8.3格式的文件名，而minix文件系统支持的文件名最多为14个字符，ext2文件系统支持的文件名长度则高达255个字符。当然，实际采用何种文件系统应根据具体要求来作出选择。

5  结论

　　由于AT24C512这类串行EEPROM本身固有的特性，在写入和读取文件操作时，其响应速度要低于NOR Flash、NAND Flash等存储设备。尽管如此，EEPROM也有其优势，目前仍然大量应用于嵌入式系统中。在EEPROM上建立文件系统，给存取带来了极大的便利，也大大地简化了应用程序的编写。