ARM7系統中實現CF卡存儲的文件系統設計

       隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應用越來越廣泛。但是目前市場上的大型商用嵌入式實時系統，價格昂貴，而且都針對特定的硬體平台。對於中小型系統開發，購買商用實時系統並不划算。

　　目前我們正著手將嵌入式系統軟體應用於汽車衛星導航儀系統的一步開發。傳統的嵌入式應用並不包括文件系統，而我們要實現的文件系統需要在車輛導航系統中實現地圖數據文件的讀寫。因此它既要支持與MS-DOS兼容的文件系統也要支持其它類型的文件系統。

       另一方面，從數碼相機到MP3播放機，從掌上電腦到數碼攝像機，CF（CompactFlash）卡由於具有體積小、兼容性強、價格相對低廉等諸多優點，在數碼設備上的應用越來越廣泛。但若想在CF卡與PC之間傳遞數據，通常不得不藉助於專門的讀卡器，這給PC的用戶帶來了不小的麻煩。 CompactFlash卡全稱為“標準快閃記憶體卡”，簡稱“CF卡”。CF卡的應用空間比較廣，最常見的是在數碼照相機中用於照片的存儲。由於CF卡內部採用模擬硬碟控制器的設計，使得CF卡可以比較容易地通過IDE介面實現與電腦的連接，一定程度上可以起到移動存儲的作用。 

    一般的嵌入式系統不會提供讀寫CF卡的介面，所以需要在文件系統中專門設計一個驅動程序。

1、基本原理　

　　圖1所示的CF卡中，主機系統的控制器介面允許數據從Flash介質讀寫。CF卡的存取方式有三種：Memory方式、I/O方式以及 True IDE方式。我們選擇的是True IDE方式。需要注意的是，當主機電源一直接通時，拔插CF卡將會使其從原來的True IDE方式重新配置成PC Card ATA方式。所以要讓CF卡一直工作在True IDE，需要在電源加電啟動時將OE輸入信號接地。此方式也支持8位存取，但我們選擇了16位存取。一次最多存取的扇區數可由命令碼Ech中的第47參數字決定。

　　CF卡跟硬碟的結構相同，如圖2所示。在引導區中裝有用於啟動系統的代碼，以及有關文件系統的重要信息，隨後是記錄所有磁碟空間的表，再下來就是根目錄，然後是所有其它的東西。引導扇區在其末尾處包含有分區表。此表包含了用以標示每個分區開始和結束的表項，最多可以有四個分區，每個分區可包含不同的文件系統。緊隨引導區之後的是FAT（文件分配表），用來記錄設備中所有的磁碟空間的信息（此表與UNIX中的I-node表和空閑表具有相同的功能）。

　　設計軟體時，同時考慮了通用性及可擴展性，目的在於使該文件系統無需分別修改便能夠對CF卡、IDE硬碟、RAM Disk、電子盤、SD等不同的存儲介質進行操作；讀出這些存儲介質中的數據，並且可以將數據輸送到不同存儲設備上。

　　為了達到這些目的，我們針對不同CPU的不同處理方法，對硬體操作程序進行分離，將設備有關的底層程序變成與設備無關的上層操作。這樣，當系統新增功能之後，不必更改每個子程序，只需要在某些介面文件的數據結構中添加或者更改數據項即可；又考慮到用戶對上層操作的透明性，我們採用面向對象的方法，上層結構中存取操作的driver結構（含read、write數據項）是虛擬的，在底層才將它具體化為CF卡的讀寫扇區命令（操作碼為： 20h、30h）。

　　軟體程序的主要流程如圖3所示。

2、系統設計實現

    根據上述原理，可完成軟體設計，其基本框架如圖4所示，分為六個主要部分。

　　其中，CF卡驅動程序設計的關鍵是CF卡的存取操作函數所採用的命令碼有些不同。另外，我們使用驅動程序對象來代表CF卡設備驅動程序。該驅動程序對象對於用戶是部分不透明的，數據項包括讀寫函數的指針，這些函數由文件系統程序輸出（包括兩部分函數，用戶可見API函數調用和用戶不見驅動存取函數）。此對象的數據結構聲明如下：

　　typedef struct CF_XFILE_DRIVER{

　　BYTE driver_name; /*介質標示；CF卡、IDE硬碟、Flash卡、RAMDISK等，刪除驅動的話，需要重新記錄DRIVER號*/

　　…… /*IRP處理函數*/

　　}CF_XFILE_DRIVER；

　　如果有多個CF卡，需要用另外一個特定的數據結構Next_Driver來把它們水平連接在一起。然後，用鏈表來管理這些數據結構，管理方式類似於WDM（Windows Driver Model）。

3、測試分析

　　經過調試運行，該文件系統性能良好。與我們之前已經移植過的Nucleus、μC/OS- II、UNIX的操作系統的文件系統相比，本文介紹的文件系統可移植性更強；除了文中著重介紹的CF卡，經過對底層驅動的簡單修改就可以應用於其它存儲介質如RAMdisk、IDE硬碟、Flash等（其中IDE硬碟和Flash也已經調試成功）。另外，本文介紹的文件系統對硬體平台的配置要求降低，並且對於文件操作的運行速度並未減慢。