基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统研究与设计

SD卡操作函数接口层

本层目的是为FAT16文件系统层提供所需的SD卡操作函数，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-获得SD卡信息；SD_CalTimeout()-计算读/写/擦超时时间；SD_ReadBlock()-读单块数据；SD_ReadMultiBlock()-读多个块数据；SD_WriteBlock()-向SD卡中写入一个块；SD_Write MultiBlock()-向SD卡写入多块数据；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的块。以单块数据写为例说明，当SD卡接收到单块写命令CMD24后，卡将发送给主机一个应答令牌，并且等待主机发送一个发送数据块来，当应答R1为0时，说明可以发送数据，块大小设置为512字节，卡对每个数据块返回1字节长的应答令牌，当其低5位为00101时，数据块被正确写入SD卡。数据块之后附有CRC校验，如果校验失败，则所传输的数据会被丢掉，数据传输被终止。

FAT16文件系统层

文件系统层向应用层提供了对文件和目录进行操作的API接口函数。要使写入SD卡的数据在装有Windows或Linux操作系统的上位机中得到正确访问，需要在SD卡上创建它们支持的文件系统，考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性和SD卡的应用规模，选择了建立FAT16文件系统。

FAT16文件系统的结构

文件系统由4部分组成：系统记录区(System Record Region)，FAT表区(FAT Region)，文件登记表区(File Register Table Region)，数据区(Data Region)。

1. 系统记录区通常包含4块内容：BIOS参数记录块BPB(BIOS Parameter Block)，磁盘标志记录表，分区引导记录代码区和结束标志0x55AA。BPB表从扇区字节位移0x0b开始,占25字节。

2. FAT16的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。文件在磁盘上以簇为单位存储,但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接信息的，这就是文件的链式存储。FAT16文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理216个基本存储单元。

3. 文件目录表FDT固定占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每个登记项长32字节，记录了每个文件的代号、长度、属性、目录、生成和最后修改的时间以及文件的存储链在文件分配表中的入口。

4. 数据区用来存放文件数据，占用大部分磁盘空间，本系统定义其1块为512字节。

FAT16文件系统的实现

FAT16文件系统向应用层提供的接口有：FormatFAT16()，将卡格式化为FAT16文件系统格式；FreeCluster()，查找自由簇；CreateFile()，创建文件；OpenFile()，打开文件；WriteFile()，写文件；ReadFile()，读文件；CloseFile()，关闭打开文件；DelFile()，删除文件。其中创建、读写和删除文件是应用程序使用的主要函数接口，下面对其详细介绍。

1.文件的创建
在SD卡上创建文件或目录的过程就是在文件目录表FDT中申请登记项的过程，流程图如图4所示。登记项中包括文件名、文件长度和起始簇号等内容。

2.文件的读/写
SD卡上文件都是以簇为单位存取的。读SD卡上的文件，首先要根据文件名查找到该文件的目录登记项，根据目录登记项中的起始簇号既可找到文件在数据区中第1簇的内容，又可在FAT表中找到第2个簇号，根据第2个簇号又能找到第2簇的内容和FAT 表中的第3个簇号，以此类推，可读取到全部文件数据。向SD卡写文件，要保证FAT1和FAT2中内容的一致性，即对两块都要进行同样的写操作。

3.文件的删除
删除文件时，不涉及数据区的操作，只须在文件的目录登记项上作一个删除标记，并把文件在FAT表中所占用的簇标记为“空簇”。

应用程序层

该层直接使用文件系统层的接口API函数完成对检测到数据的操作，而不需要考虑使用函数的细节问题以及底层硬件的相关问题。

结语

本设计作为汽车性能记录议的数据存储部分，采用大容量、小体积、性价比高的存储介质SD卡来存储长时间段的检测数据，裁减了FAT16实现了嵌入式文件系统，上位机可方便的对记录数据进行综合分析和备份。该嵌入式文件系统的分层结构使得只需对底层驱动进行简单修改就可移植到CF卡、闪存等其它的存储介质上。■