flash檔案系統實現原理

flash檔案系統實現原理
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摘要：在深入分析TI為開發DSP提供的RTS.LIB(RTS.SRC為源泉代碼)的基礎上，介紹對自訂的檔案和裝置的操作方法；設計一個簡易的Flash檔案系統，極

大地方便了應用編程。

    關鍵詞：DSP CC/CCS Flash 檔案系統

1 概述

在開發DSP的應用程式過程中，經常需要處理一些資料檔案。這些資料檔案可以是實際採集到的資料集合，也可以是用類比模擬軟體產生的資料集合，一般是

以檔案的形式存放在主機磁碟上的。一般的開發環境（如TI的CCS和CC）都提供了ANSI C標準操作檔案格式，如開啟一個檔案fopen("盤符：/路徑/檔案名稱"，

“開啟模式”)。嵌入式系統一般都外掛Flash。我們希望能夠和讀寫主機磁碟檔案一樣操作Flash讀寫時序等問題，使應用編程人員可以把精力用在解決實際

應用問題上，從而提供一個良好的編程介面。同時，在需要鍵盤、串口等裝置的系統中，也希望提供一個簡易的API介面，如從鍵盤得到一個鍵，只需作如下

操作，在執行fopen("keyboard","讀")後，就可以用fread函數讀入一個字元。

結合TI公司提供的DSP開發環境CC/CCS（CC針對3X系列，CCS針對5X和6X系列）和實際開發經驗，提供上述問題的解決方案，並成功應用到我們的產品中。

2 CC/CCS檔案操作機制

TI公司為其TMS320C3X系列DSP提供了一個開發環境Code Composer,配套的C語言編譯器提供了檔案的標準操作。在調試(debug)環境下，對主機(host)硬碟文

件的操作是通過標準的ANSI檔案操作格式與主機的通訊來完成的。ANSI C I/O操作分為三個等級—high level、low level和Device level。在High level中

，標準介面是Fopen和Fwrite等函數；而Low level中是Open和Write等函數。這三個等級功能用三個表來實現—檔案表、流表（實質就是記憶體緩衝區索引）和

裝置表。檔案的開啟和關閉等基本屬性在檔案表中反應。當開啟一個檔案時，檔案表中便相應增加一個描述該檔案的資訊單元；同樣，關閉一個檔案時，該

檔案的資訊單元從檔案表中被刪除。流表提供了對檔案的緩衝操作處理，緩衝區位置和大小等均在流表中記錄。一個檔案對應一個流，即緩衝區。對檔案的

讀寫就是對緩衝區的讀寫。當緩衝區填滿時，再一次性寫入Flash等裝置中，避免了對Flash的頻繁操作，延長了Flash的使用壽命。裝置包括Flash、硬碟、

鍵盤等在裝置表中體現。多個流可以對應一個裝置，例如在Flash中可以開啟多個檔案，但是一個裝置不能對應多個流。流操作和裝置操作是緊密聯絡在一起

的。當開啟一個檔案時，同時給出了該檔案在什麼裝置上操作，再分配一個流。以後對該檔案的操作通過流對應的具體裝置的驅動函數來完成。主機的

target任何外設都可被加入進去成為裝置表的成員之一。

Code Composer對HOST磁碟檔案的操作最終是通過與HOST整合式開發環境通訊的方式來進行。TI提供的RTS.LIB提供兩個函數與主機通訊，writemsg()函數發送

資料和參數到主機。Readmsg()函數從主機讀取資料到目標機。Code Composer再與主機進行互動，利用主機檔案系統的支援，屏蔽了具體的物理地址讀寫問

題。在調試階段，當要在主機上建立檔案、讀取檔案和儲存資料時，只需用標準的ANSI C函數操作就可以，從而極大方便了編程調試。

3 Flash檔案系統的實現

嵌入式檔案系統一般有集中管理檔案系統，儲存空間的使用資訊集中存在儲存空間的某個地方，如DOS的FAT，Unix的inode表。線性檔案系統，又稱為連續檔案

系統，每個檔案相關的所有資訊都連續存放在儲存空間中。與集中式檔案系統相比，實現更簡單，讀寫更快，特別是將檔案的關鍵系統分布存放。記錄檔系

統順序寫入檔案系統的修改，如同日誌記錄一樣，可加速檔案寫入和崩潰修複。採用Log唯一結構，Log包含索引資訊、名稱和資料。嵌入式系統不可能帶硬

盤，一般都是基於Flash儲存空間的。

3．1 Flash特點及其相應處理

Flash的讀操作與普通RAM時序一樣，但是寫和擦除操作則具有自身的特點。同一地址不能同時寫入兩次，必須進行費時的擦除操作。執行擦除的方式有三種

：一是片擦除，即一次性全部擦除所有內容（這個相當于格式化功能，在第一次使用時可以執行這種操作）；二是塊擦除；三是扇區擦除。以SST39VF400A為

例，塊Block的大小是32KB，扇區的大小是2KB，塊擦除一次擦除一個塊內容；扇區類似。如果一個檔案內容被改動，且改動的內容不足一個扇區的話，則更

新檔案時必須重寫這個扇區的所有內容；在重寫前必須擦除該扇區的所有內容。因此基於Flash的檔案系統不能完全套用已有的檔案系統，但可以在其基礎上

進行改動。Flash能夠擦除的範圍越小，對檔案的改動就越小，所執行的I/O操作就越小，從而減少I/O時間，提供檔案系統的即時效能。我們使用的

SST39VF400A的扇區大小是2KB，也就是2048B（1K=1024）。用常數定義，#define FileUnit 2048。

3．2 Flash檔案系統的層次性

與ANSI C標準相對應，我們將Flash檔案系統分為3個層次。第一層次，API層。API層是檔案系統與使用者應用程式之間的介面，包含一個與檔案函數相關的函

數庫，如FS_FOpen、FS_Fwrite等，也相當於High Level層。第二層次，檔案系統層，即Low Level層。該層處理檔案是否存在，開啟，關閉和為檔案分配相

應的緩衝等。該層調用底層驅動。第三層是Device Level層，就是裝置驅動層。Flash的實際讀寫操作就是在該層進行的，特定的Flash儲存空間對應特定的讀

寫程式。

3.3 Flash檔案資訊表的設計

該表儲存Flash中已有檔案的屬性，Flash大小和檔案的屬性等都在該表中反映出來。該表與Flash中的內容保持同步更新，即一個檔案最小塊更新完畢時，寫

入Flash中。

Flash的空間分配：

①Flash空間，以簇為單位，讀和寫都是一簇，即一個扇區單位；

②0簇給檔案配置表，不被應用檔案佔用；

③每次檔案系統初始化時，把Flash內0簇的內容讀取到記憶體中，儲存在數組FAT16[]中。

常量定義

#define CLUSTER_BLOCK_SIZE 2048 //每一簇的位元組數

#define NUMBER_OF_CLUSTER_IN_FAT16 25

//在檔案配置表中，一共有多少個簇

#define NUMBER_OF_FILE_BUF 10

//一共有幾個檔案緩衝區

#define MODE_OPEN_FILE_READ 0x01 //讀取（檔案開啟模式）

#define MODE_OPEN_FILE_WRITE 0x02 //寫入（檔案開啟模式）

#define MAX_SIZE_OF_FIEL 2048 //檔案的最大尺寸

檔案結構體：

typedef struct{

unsigned int IsLock:1;//檔案是否被上鎖，=0沒開啟；=1已被開啟。此標誌只在檔案的第一簇使用

unsigned int status:7;//簇的狀態，=0，此簇為色，沒使用；=1，此簇是第一簇；=2，此簇不是第一簇

char FileName[8];//檔案名稱，在第一簇有效

char FileExName[3]; //副檔名，在第一簇有效

unsigned int SizeOfFile;//檔案的位元組數，在第一簇有效

unsigned int NextCluster;//下一簇的簇號。當為0xffffffff時，說明這是當前檔案的最後一簇

}FlashFAT;

檔案控制代碼結構體：

typedef struct{

unsigned int Buffer[CLUSTER_BLOCK_SIZE];//檔案緩衝區

unsigned int fileblock;//檔案當前簇的位置

unsigned int filemode;//開啟支援的模式

unsigned int filebufnum;//檔案緩衝區中已被/寫的位元組數

unsigned int fileCurpos;//檔案讀寫的當前位置

unsigned int filesize;//檔案的大小

}FlashFILE;

3.4 Device Level驅動函數

SST39VF400A標準裝置級驅動函數如下：

void Program_One_Word(WORD SrcWord,WORD far Dst){/*寫入一個字*/

WORD far *Temp;WORD far*SourceBuf;WORD far*DestBuf;

Int Index;DestBuf=Dst;

Temp=(WORD far *)0xC0005555;/*設定地址為C000：555h*/

*Temp=0xAAAA; /*寫資料0xAAAA到此地址*/

Temp=(WORD far *)0xC0002AAA;/*設定地址為C000：2AAAh*/

*Temp=0x5555;/*寫資料0x5555到此地址*/

Temp=(WORD far*)0xC0005555;/*設定地址為C000：5555h*/

*Temp=0xA0A0;/*寫資料0xA0A0到此地址*/

*DestBuf=SrcWord;/*傳送位元組到目的地址*/

Check_Toggle_Ready(DestBuf);/*等待TOGGLF位準備好*/

}

原始碼見網站www.dpj.com.cn。

3．5 Flash檔案系統的工作流程

在使用Flash檔案系統前，先將FlashROM裝置加入裝置表中（最開始假設Flash中沒有任何檔案），讀入Flash檔案表。下面簡述系統工作流程。

（1）加入FlashROM裝置

add_device("FlashROM",_MSA,flash_open,flash_close,flash_read,flash_write,flash_lseek,
flash_unlink,flash_rename);

其中flash_open、flash_close、flash_read、flsh_write、flash_lseek、flash_unlink、flash_rename是最底層的

flash驅動函數名稱。針對不同的Flash，需要不同的驅動函數。

int flash_open(char *path,unsigned flags,int fno);

int flash_close(int fno);

int flash_read(int fno,char *buffer,unsigned count);

int flash_write(int fno,char *buffer,unsigned count);

（2）初始設定檔案系統

在使用Flash前，必須初始化。初始化臨時檔案緩衝區，將Flash的各種資訊讀入到系統中，如Flash的大小，存在的檔案的名稱、大小、建立日期等，這樣系

統才能正確使用Flash.

Init_eFS();/*初始設定檔案系統函數*/

（3）執行各種檔案操作

如果要在Flash上開啟一個檔案，執行fopen("FlashROM:/路徑/檔案名稱"，“開啟模式”)就可以了。當開啟檔案時，先檢查檔案表中是否存在該檔案。如果沒

有，則在Flash檔案表中尋找是否存在該檔案。如果存在，則開啟；如果沒有，則建立這樣一個檔案，同時開啟該檔案。隨後就可以進行檔案的讀寫、追加、

屬性修改等操作。

該Flash檔案系統的幾個技術關鍵點：

①利用RTS.LIB(TI附帶有原始碼RTS.SRC)的進階層檔案操作功能。該庫已經按照ANSI C標準處理了高層檔案應用問題。我們可以如同在上位機上編程一樣使

用各種檔案操作函數，不同的是將盤符改為FlashROM盤符。例如，將fopen("C:/read.txt","r")改為fopen("FlashROM:/read.txt","r")。用這種模式操作

Flash,的繁瑣時序處理和扇區擦除等重複性問題，可以將精力集中到應用編程上來。

②用自設計的Low Level級代碼接管了RTS.LIB的低層處理。前述的Flash檔案資訊表是核心，只有通過該表才能知道Flash中究竟有什麼，在哪裡操作。當在

API層操作檔案時，高層函數將調用相應的底層處理屬數，在Low Level判斷檔案是否開啟，是否可讀寫等屬性。同時為該檔案分配一個內緩衝區，所有對該

檔案的操作先操作緩衝區，即流操作。當緩衝區滿時，調用的操作先操作緩衝區，即流操作。當緩衝區滿時，調用Device Level級函數，將資料寫入Flash中

。同樣，讀取的時候，是先讀取一個扇區內容，處理完畢後再讀取下一扇區內容。

操作鍵盤等其它外設相對Flash要簡單得多，不用設計檔案資訊表。執行兩個步驟就可以使用。一是加入裝置，調用add_device(……)函數，填入裝置名稱；二

是編寫裝置驅動函數，將對應的函數名作為參數傳入add_device()中。在這裡要說明的是，不同裝置、同樣的操作名其實際含義是不同的。如對鍵盤開啟一

個字元，則意味著讀入一個字元，因此在實際中應用靈活處理。

結語

該Flash檔案系統實現了基本的檔案讀寫功能，但是還有些不足地方：檔案分享權限設定問題沒有解決，在掉電的情況下可能導致檔案丟失。由於我們研製這個Flash

系統的目的在於方便編程、調試；同時在我們的應用領域（電力系統繼電保護）中，掉電的幾率非常低，儲存的檔案主要是整定值、控制字（修改不多）和

故障濾波記錄。這些資料即使丟失也不會造成災難性的後果，故該系統在整體上滿足我們的應用需求。

 

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