基于MCF51QE128的SD卡文件系统设计

摘要：随着嵌入式系统的发展，越来越多的嵌入式设备需要处理大量的数据，使用文件系统将成为这类嵌入式应用的一个必然趋势。本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器和SD卡，结合实验数据深入探讨了FATl6文件系统及其存储原则，实现了文件的创建、打开和多扇区数据的读写。
关键词：MCF51QEl28；SD卡；FATl6文件系统

引言
    MCF51QEl28微控制器是Freescale公司生产的8位／32位兼容的低功耗微处理器。工作电压的典型值是3．6V，与SD卡的工作电压兼容，可直接与SD卡连接而无需电平转换电路。SD卡因为其体积小、功耗低、容量大且成本低，目前被广泛应用于各类嵌入式数据采集系统中。本文针对此类应用，通过实测512MB SD卡数据，以实例的形式深入解析了FATl6文件系统的存储原则，并给出了实现方案。

1 FATl6文件系统
    SD卡格式化为FAT文件系统时，一般只采用1个分区，以便于存储空间的管理。FATl6主要由图1所示的6个阴影部分组成。通常情况下，每扇区的大小为512字节。

1. 1 主引导记录
    MBR(Master Boot Record，主引导记录)总是位于存储卡的起始位置，即扇区O。图2是主引导记录的详细信息。由于只有1个分区，所以由偏移量0x1BE可找到第1分区的入口，接着由偏移量0x08找到第1分区的相对起始扇区，即第1分区引导记录所在的扇区。以512 MB SD卡为例，读取图2中地址OxlC6～OxlC9处的4个字节数据(由高位向低位读取)，即Ox000000E9。可知，第1分区引导记录位于SD卡的第0xE9个扇区。

1．2 分区引导记录
    分区BR(Boot Record，引导记录)位于分区的第O扇区。它由跳转代码，OEM(Original Eqtlipment Manufacturer，原始设备制造商)，BPB(BIOs Parameter Block，BIOS参数块)，扩展BPB，引导代码和结束标志(Ox55 AA)组成。图3重点列出了分区引导记录中BPB的各项参数。读图3中Ox000000E9扇区，由偏移量0x0B处2字节数据Ox0200=512可知，SD卡每扇区的字节数为512。类似地，可得到其他相关参数。

1．3 FAT表和文件存储原则
    FATl6文件系统主要通过FAT表(FATl和FAT2)、根目录和数据区实现对文件的存储管理。FAT表记录了数据文件的存储链表，对数据的读取极为重要，通常都会有一个或多个备份。这里，FAT2就是对FATl的备份，必须随着FATl即时同步更新。根目录一般以32字节为单位来存放文件记录。[!--empirenews.page--]

     数据区主要存放文件数据，为了有效利用存储空间，一般以簇为单位，簇的大小通常是2的，n次幂个扇区。FAT格式化后，簇的大小就确定下来了，可通过读取分区引导记录获得。例如，读取图3中Ox000000E9扇区，由偏移量OxOD处1字节数据0x10=16可知，SD卡的1个簇占16个扇区。
    如果将SD卡的存储空间想象成一本书，那么要阅读一篇文章，首先应该打开目录找到文章的页码，然后根据页码翻到文章所在的地方。类比到FATl6文件系统，FAT表和根目录就像书的目录，簇号类似于书的页码，而数据区存放的就是文章的具体内容。
    以打开文件为例，文件的存储原则可以这样描述：首先在根目录中查找文件名，如有匹配，就找到了文件的开始簇号，好比知道了文章的页码。但文件的存储和书不同，书的内容一般是连续的，而文件在存储后是可以随意修改的(例如添加或删除)，因而在存储空间上可能不连续，这样就无法仅通过开始簇号找到整个文件。那么怎样才能完整找到这些不连续的数据呢?答案就是FAT表。FAT表以“0xF8FF FFFF”作为开始标志，以2字节为单位存放文件簇号。FAT表实质是一个二维链表，如图4所示。

    FAT表上面的数字是这2个字节在表中的位置序号，同时也代表文件的簇号，与数据区的簇号对应，类似目录的页码。通常SD卡上第一个文件的开始簇号为2。若文件长度小于1簇，则其开始簇号所对应的2字节值为FFFF。若文件长度大于1簇，则其开始簇号所对应2字节中存放的是文件所在的下一个簇号，由所得簇号再查找其对应的2字节，可找到文件接下来的簇号。依此类推，直到最后所得簇号对应的2字节值为FFFF，即为文件的结束簇号。根据上述原则，由FAT表和根目录就可以确定文件在数据区的存储簇号，从而实现文件数据的管理。

2 FATl6文件系统设计
    文件系统的基本功能包括：文件的创建、打开和读写。这里假定已经实现了MCF51QEl28微控制器和SD卡的硬件接口和底层通信，具体细节参考文献。
2．1 数据结构
    为了便于对主引导记录、分区引导记录、FAT表、根目录和数据区中的相关信息进行记录和处理，定义了FATl6_t和FILE_t两个结构体类型。数据类型byte、word和dword分别对应于8位、16位和32位数据。
    FATl6_t结构体类型用于记录主引导记录和第1分区引导扇区信息，部分定义如下：

    FILE_t结构体类型用于记录每个文件项信息，部分定义如下：

2．2 FATl6初始化
    FATl6的初始化主要是读取主引导记录和第1分区引导扇区信息，并保存到FATl6_t类型变量中。初始化流程如图5所示。

    FATl6初始化子程序中调用了底层SD卡读数据块函数SD_ReadBlock。其函数声明为byte SD_ReadBlock(dword sector，byte*buffer)，用于读入地址为sector扇区中的数据，暂存入buffer中。预编译函数from_BE_32和from_BE_16分别实现由高位向低位读取4字节和2字节数据。[!--empirenews.page--]
    FATl6初始化子程序声明为byte Init_FAT(FArl6_t*FAT，byte*buffer)，部分代码如下：

2．3 打开和创建文件
    打开和创建文件采用一个函数来实现。首先根据读入的文件名查找根目录，若有匹配项则打开文件，否则创建一个新文件。流程如图6所示。

    打开和创建文件子程序声明为byte Open_File(FILE_t*FILE，FATl6_t*FAT，byte*buffer，byte*name)。部分代码如下：

    在根目录中查找是否有文件项匹配，从根目录的第1个扇区开始读扇区。

     根据文件起始簇号和根目录的记录项号，计算文件FAT表、根目录和数据区的相关信息。对于根目录和数据区的信息，已有文件和新文件的计算一致。如果是新文件，还需修改FAT表和根目录记录项。
2．4 多扇区数据读写
    多扇区数据的读写是在打开文件的基础上，以扇区为单位读写文件，可连续读写多个扇区数据，同时写入文件的属性、日期和时间。写数据的流程如图7所示，读数据与之类似。多扇区数据的写子程序声明为byte Write_File(FILE_t*FILE，FATl6_t*FAT， byte attribute，word time，word date，dWOEd size_s，byte*buffer)，根据写入扇区数size_s，设置文件的写入位置。首先将写入扇区数与文件剩余扇区数进行比较，若写入扇区数小于等于剩余扇区数，则新写入扇区数、簇数均为0，文件结束簇、写簇号不变，不需要修改FAT表，仅修改根目录中的文件长度。否则，需要计算新写入扇区数和簇数。若有增加簇，则需修改FAT表，包括FATl和FAT2、根目录的文件记，录项。最后，将数据写入文件数据区。

结语
    本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器，深入探讨了SD卡上FATl6文件系统的存储原则，给出了实现方案。软件算法上，对单扇区数据读写进行改进，实现了连续多个扇区数据的读写，大大提高了文件的读写效率，特别适用于数据量较大的视频、音频数据采集系统的文件存储。随着SD卡的快速流行，在此类存储设备中引入文件系统将得到更加广泛的应用。