MC9S12UF32的嵌入式文件系统数据存储模块

引言
    随着信息技术的发展，嵌入式系统简单地对存储介质按地址、字节进行读写的方式已经不能满足实际应用的需求，利用文件系统对存储介质进行管理成为嵌入式系统的一个发展方向。虽然目前存在很多版本的文件系统，但windows的广泛应用使得FAT文件系统仍然是最通用的文件系统之一。本文中基于MC9S12UF32单片机，结合开源文件系统FatFS，设计实现了使用FAT文件系统的大容量数据存储模块。

1 系统结构
    数据存储系统框架如图1所示。该数据存储模块以Freescale公司的MC9S12UF32为核心，串行通信接口SCI接收到的数据可以直接通过单片机以FAT文件的形式存储在micro SD卡中。用户程序可以通过编程控制单片机，直接对micro SD卡中的任意文件进行读写，实现存储数据。由于实现了FAT文件系统，用户也可以通过单片机内置的USB接口将本数据模块识别为U盘，用PC机进行读写操作。此外，模块中的SD卡也可以取出，使用标准的读卡器可在任何PC机上读出。

2 硬件结构及底层函数的编写
    本文所介绍的数据存储插件由MC9S12UF32、DSl2887实时钟模块、micro SD卡、串行通信接口以及USB接口5部分组成。实时时钟，可以为数据存储模块的文件系统提供正确的时间戳信息，在精简的系统设计中，这个部分则可以省略。
2．1 MC9S12UF32单片机
    Freescale公司生产的这款16位单片机具有3．5 KBRAM和32 KB Flash EEPROM。它最大的特点在于拥有USB2．O接口、ATA5接口以及SD／MMC、SmartMedia、MemoryStick等多种存储卡接口。本文所介绍的数据存储插件采用MC9S12UF32单片机内部集成的SD主控制器模块(SDHC)实现micro SD卡的底层读写。
    (1)SDHC模块
    SDl．O规范协议中定义了对SD卡的两种访问模式：SD模式和SPI模式。使用SDHC(Secured Digital cardHost Controller)模块对SD卡读写采用了SD模式。该模块将SD总线转换为MC9S12UF32内部的IPBus总线或者IQUE总线，使用者只需要对SDHC模块相关的寄存器进行配置，就可以实现向SD卡发送各种命令和读写数据的功能。SD卡与SDHC的连接如图2所示。[page]

MC9S12UF32内部集成的SDHC模块支持SD卡1．O版本的物理层协议，所以本系统使用标准microSD卡(而非SDHC卡)，其存储容量最大为2 GB。这样的存储容量已经完全可以满足大多数嵌入式应用的需求。

    (2)MC9S12UF32与SD卡之间的数据传输
    在完成对时钟频率和传输数据线宽度的配置之后，通过发送相应的读写命令就可以实现单片机与SD卡之间的数据传输了。在单片机向SD卡写入数据的过程中，编程者将需要写入的数据写入SDHC模块的SDATA寄存器(16位)之后，该数据将被转移至发送数据FIFO中。与此同时，只要发送数据FIFO非空，其中的数据就会不断地通过数据线被写入SD卡的相应位置。在单片机从SD卡中读取数据的过程中，SD卡中的数据将不断发送至接收数据FIFO中。只要接收FIFO非空，单片机就可以不断地通过读SDATA寄存器得到接收数据FIFO中的数据。
2．2 DSl2887实时钟模块
    DSl2887模块使用数据／地址复用的并行异步总线，可以为单片机提供100年以内的实时钟信息(年／月／日／时／分／秒)。它内部具有石英晶振和锂电源，首次使用时，需要对该模块内部的寄存器进行相应配置，激活晶振使其进入工作状态。由于DSl2887内部带有锂电源，所以一旦晶振被激活，即使外部掉电，该模块依然可以保存并提供正确的实时钟信息。
    设定DSl2887的时间和从DSl2887中读取时间信息的底层程序比较简单，只需参照芯片手册对寄存器进行合理配置。但是，需要特别注意的是，在写时钟和读取时钟之前需要锁存时钟信息相关的buffer，防止在读写过程中由于出现时钟信息自动更新情况而导致的错误。系统中，在每次读写实时钟之前，查询DSl2887内部控制寄存器A最高位UIP是否为O，以避免上述错误的产生。因为芯片手册中给出，一旦UIP=O，那么在244μs内实时钟模块都不会自动更新当前的时钟信息，而这段时间足以让单片机完成读写实时钟的过程。

3 FatFS文件系统的移植与配置
3．1 FatFS软件包简介
    采用文件系统，是为了在单片机能够对SD卡进行数据读写的同时，保证其读写的数据能够被大多数通用设备识别。换言之，数据在存储器内的组织型式，需要遵循一些已有的工业标准和规范。例如使用FAT文件系统，数据存储单元的SD卡取下来后，可以使用任何标准的读卡器在windows、Linux等PC机上读出。
    当前著名的嵌入式文件系统有若干种选择，比如EFSL(Embedded Filesystem Library)、uC／FS、／TinyFatFS等。这之中EFSL和FatFs都是开放源码的，具有十分详尽的文档和函数手册，除错更新也十分及时，在本文的设计中我们采用的是FatFS。
    FatFS采用使用ANSI C编写，具有很好的硬件平台独立性，使用者只需要对源程序进行简单的修改和配置，就可以将其移植到各种系列的单片机上。此外，它的内存开销很小，ROM的占有量在十几KB的量级，使用者可以根据不同的应用方便的对代码进行裁减。FatFS支持FATl2、FATl6和FAT32，可以建立独立的缓冲区对多个文件进行读写。FatFs是一个不断更新完善的软件，大量的相关信息可以从原作者的主页上得到(http：／／elm-chan．org／fsw／ff／00index_e．html)，同时原作者也做了很多性能测试的工作。
3．2 FatFS的移植
    可从FatFS的主页上下载得到FatFS R0．07版本。FatFS的主程序包含5个文件，即diskio．c、diskio．h、ff．c、ff．h和integer．h。其中，diskio．c和diskio．h是与底层硬件I／O相关的函数；ff．c和ff．h是应用函数，主要涉及FatFS的配置和裁减；而integer．h中定义了FatFS软件所使用的各种数据类型。
    移植FatFS的过程中基本不需要对diskio．h和ff．c进行修改。除了核实integer．h中的数据类型定义是否与MC9S12U32数据类型相符之外，移植的重点工作在于diskio．c中6个主要函数的实现和ff．h中对于文件系统的裁减配置。dikio．c包含的6个接口函数：disk_initial-ize，disk status，disk ioctl，disk read，disk write和disk_fattime。它们分别实现存储介质的初始化、读取／写入若干个扇区的数据和获取实时钟信息的功能。

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    具体移植过程如下：
    (1)存储媒介初始化函数
    DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)
    由于采用的存储媒介是SD卡，所以该函数的实际功能是对SD卡进行初始化。drv是存储介质号码，由于Tiny-FatFS只支持一个存储介质，所以此处drv始终取O值。执行无误，则返回值=O；执行中出现错误，则返回非O值。
    (2)状态检测函数
    DSTATUS disk_status(BYTE drv)
    该函数用于检测是否支持当前的存储介质。此处的drv仍然恒为O。对Tiny-FatFS而言，只要drv为O，就认为支持当前介质，函数直接返回O值即可。
    (3)读扇区函数
    DRESULT disk read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD seetor，BYTE．count)
    该函数是在“单片机从SD卡读取一个扇区”的函数基础上编写而成的，其功能是从SD卡读取一个或多个扇区的数据。*buff用于存储已经读取的数据，sector是待读取扇区的起始扇区数，count是需要读取的扇区数。如果执行无误则返回O值，否则返回非O值。
    (4)写扇区函数
    DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff。DWORD sector，BYTE count)
    与disk_read相似，该函数是在“单片机向SD卡写入一个扇区”的函数基础上编写而成的，其功能是向SD卡导入一个或多个扇区的数据。*buff用于保存将要写入的数据，sector是待写入扇区的起始扇区数，count是需要写入的扇区数。如果执行无误，则返回0值；否则，返回非0值。
    (5)存储介质控制函数
    DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)
    ctrl是控制代码，*buff用于保存或接收需要控制的数据数据。使用者可以在此函数里添加自己需要的功能代码，例如获得存储介质的容量、扇区数等。如果是简单的应用，也可以不执行任何功能，直接返回0值。本文采用的就是这一方法。
    (6)实时钟函数
    DWORD disk_fattime(Void)
    该函数将读取的实时钟信息保存在一个32位无符号整数中，并将其作为函数的返回值。时钟信息在这32位中的具体分布如表1所列。

3．3 FatFS的裁减与配置Tiny-FatFS
    FatFs提供了丰富的库函数，可以实现创建、读取文件夹，创建、读写文件，移动文件指针，向文件中写入或读取字符串，甚至是类似与C语言fprintf()的格式化输入等各种功能。使用者可以根据自己的需求设置相应的宏，对FatFs进行裁减，仅保留需要的功能函数，从而精简文件系统的内存开销。FatFS提供的函数与宏的对应关系如图3所示。

    FatFS的裁减，不仅仅是函数层面的。更重要的是，在内部机制上形成一个精简版本，称为Tiny-FatFS。它与标准版FatFS相比，主要的区别在于Tiny-FatFS仅支持一个物理存储介质，而且不再针对每个开启的文件建立512字节的缓存，整个文件系统和物理介质使用同一个缓存。显然，Tiny-FatFs需要的内存开销比标准版FatFS更低，只要1 KB左右的RAM。可以说，Tinyr-FatFS是专门为小型嵌入式系统而设计的文件系统模块。本文介绍的数据存储系统使用的正是Tiny-FatFS版本。

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    在表2中，对ff．h中主要配置宏的含义进行了说明，同时给出了本文所介绍的数据存储模块采用的取值。

4 FatFS文件系统的使用
    FatFS文件系统中涉及2个基本的数据结构：文件系统(磁盘)的数据结构FATFS和文件的数据结构FIL。这两个结构是FatFS软件主要的RAM开销，FATFS数据结构中有针对磁盘的512字节读写缓存，FIL则有针对每个文件的缓存。而采用Tiny FatFS配置则不会开设文件读写缓存，节约RAM。
    依次使用f_mount、f_open、f_rcad／f_write、f_close可以完成基本的读写。FatFS允许对同一文件同时复数读取，但完全不支持对同一文件同时复数的写入操作，因为这会引起文件系统错误。具体每一个函数，特别是字符串读写、格式化读写等，可以参见原始帮助和例程。
    此外，由于嵌入式系统具有突然掉电的可能性，一些关键代码段可能导致文件系统错误，所以要注意调用f_sync()及时写入。当然，如果是一组连续的f_write()写入，而每次写完都f_sync()，则会极大地影响速度，可以全部写完后f_sync()。
    V0．07以后版本的FatFS，增加了以下新的功能：
    ①_FS_TINY。Tiny模式变成了一个宏选项，而不是独立的代码包。
    ②_FS_RPATH。决定是否有当前路径的概念，这将影响两个相关函数的参数。
    ③_USE_LFN。启用长文件名支持，可为1或2，为2时可重入。由于长文件名存在堆栈上，而且启用LFN会依据代码页增加一个很大的转换表，占掉几十～几百KB，所以不推荐。
    ④_LFN_UNICODE。长文件名使用Unicode，实验阶段，尚未正式写入文档。

结语
    MC9S12UF32单片机内部集成的SDHC模块，可将SD总线转换为单片机内部的IP总线，开发者只需要对SD协议的基本内容有所了解，通过读写相应的寄存器就可以方便地实现对SD卡的底层读写，大大简化了硬件的开发过程。同时，独立于硬件平台的FatFS软件包可以方便地移植到各种嵌入式系统中，研发者只需要对该软件包的diskio．c和ff．h进行修改，即可完成移植，从而使用FatFS提供的丰富且易于使用的各种接口函数。
    应用上述主要技术实现的具有嵌入式文件系统的数据模块如图4所示。

    该模块体积小巧、存储数据的灵活性和通用性很高，可以通过模块自带的串行通信接口接收数据，并以文件的形式存储起来。用户既可以直接通过USB接口将本模块识别为U盘进行数据读写和分析，也可以将micro SD卡拔出，在任意一个具有micro SD读卡器功能的设备上读写数据。上述功能特性使得这款数据存储模块具有很良好的应用前景。