摘  要: 32位微處理器芯片的出現(xiàn)，使得嵌入式系統(tǒng)迅速發(fā)展。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的核心，本文介紹在觸摸屏工業(yè)圖形顯示器系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。該系統(tǒng)采用嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)設(shè)備-flash作為系統(tǒng)的存儲(chǔ)器，本文件系統(tǒng)是結(jié)合它的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng); 文件系統(tǒng); Flash

1. 前言

　　近幾年來,嵌入式操作系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展,從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位,從支持單一的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片,從只有實(shí)時(shí)內(nèi)核到除了內(nèi)核外還提供其它功能模塊如:高速文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)等。嵌入式操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)是指嵌入式操作系統(tǒng)中文件的組織與管理結(jié)構(gòu),它是嵌入式操作系統(tǒng)的核心。從外部看來,文件系統(tǒng)是一組文件和目錄的操作。文件可以被讀寫,目錄可以被創(chuàng)建和刪除。而在內(nèi)部看,文件系統(tǒng)卻迥然不同。文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者,必須考慮到存儲(chǔ)區(qū)如何分配以及系統(tǒng)如何記錄文件、使用了哪些塊等。文件系統(tǒng)的可靠性和性能也是一個(gè)重要問題。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的核心,不同的操作系統(tǒng)其文件系統(tǒng)也不盡相同,這主要體現(xiàn)在文件存儲(chǔ)空間的動(dòng)態(tài)分配機(jī)制上,各種文件系統(tǒng)各有自己的特點(diǎn)。本文將介紹基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)µCOS-II的嵌入式應(yīng)用實(shí)例中的文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。

2.文件系統(tǒng)簡介

　　目前嵌入式操作系統(tǒng)分商用和免費(fèi)兩種。在國內(nèi)市場占有率第一的商用操作系統(tǒng)是VxWorks，免費(fèi)的操作系統(tǒng)包括µCOS-II ，QNX和linux。由于商用操作系統(tǒng)價(jià)格昂貴，所以很多的研究機(jī)構(gòu)使用免費(fèi)操作系統(tǒng)。本嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用的是對(duì)研究機(jī)構(gòu)免費(fèi)使用的µCOS-II。μC/OS-II是Jean Labrosse編寫的一個(gè)免費(fèi)的、源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核。對(duì)于開發(fā)計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品來說是一個(gè)實(shí)用價(jià)值很高的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)ERTOS。

　　FAT（File allocation table）文件分配表，是一個(gè)應(yīng)用了幾十年的商業(yè)化軟件產(chǎn)品，其MS-DOS 文件系統(tǒng)技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)資源開銷小，易于在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。它不用于表示引導(dǎo)區(qū)、文件目錄表的信息，也不真正存儲(chǔ)文件內(nèi)容，只反映磁盤空間當(dāng)前的使用情況，是這個(gè)文件系統(tǒng)的核心。文件在磁盤的分布情況是以簇鏈的方式記錄在FAT中。每個(gè)文件都有自己的存儲(chǔ)簇，可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的，通過FAT表來實(shí)現(xiàn)其完整性。

　　JFFS2是為在嵌入式系統(tǒng)中使用flash存儲(chǔ)設(shè)備而專門設(shè)計(jì)的一種日志文件系統(tǒng)，作為一種日志結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，它的文件由一長串節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含文件的部分信息。垃圾收集技術(shù)是JFFS2的重要部分，其原理是當(dāng)需要增添新內(nèi)容時(shí)，就在節(jié)點(diǎn)鏈表的末端添加新的節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)新的內(nèi)容;若要修改文件的某部分，JFFS2將該部分標(biāo)記為廢棄，并在節(jié)點(diǎn)鏈表末端添加修改后的內(nèi)容。JFFS2如此不斷地在flash上添加新的內(nèi)容，當(dāng)flash上的存儲(chǔ)空間用完時(shí)，系統(tǒng)就回收標(biāo)記為廢棄的空間，該過程就稱為垃圾收集。

3. Flash的特性

　　Flash具有高密度和良好的存取速度等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)設(shè)備。 它在讀取方面與普通的SRAM 存儲(chǔ)器類似，一般可以實(shí)現(xiàn)完全隨機(jī)的讀取，最大的不同在于寫操作方面。Flash存儲(chǔ)器的寫操作需要經(jīng)過“擦除— 寫入”兩個(gè)操作過程。本系統(tǒng)使用的flash是sst39VF160型，如果希望對(duì)某一個(gè)單元進(jìn)行寫入時(shí)，首先必須對(duì)這個(gè)存儲(chǔ)單元所在的扇區(qū)（Sector）或塊（Block）執(zhí)行擦除操作，擦除操作成功完成后，整個(gè)扇區(qū)或塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容都被清空。一般被設(shè)置成0XFF;然后對(duì)目的單元所在的扇區(qū)或塊執(zhí)行寫入操作，這就意味著修改數(shù)據(jù)比單獨(dú)的寫和讀操作需要更多的時(shí)間。為了提高flash利用率，減少碎片，本系統(tǒng)定義了簇，它是寫操作的最小單位，并規(guī)定每簇占256type。Sst39VF160的大小是1M×16bit，分32個(gè)塊（Block,32kword），分512個(gè)扇區(qū)（Sector,2kword）,包含8192個(gè)簇。

　　Sst39VF160提供了Sector-Erase,Block-Erase和Chip-Erase三種擦除方式，Chip-Erase是把整個(gè)Flash擦除，內(nèi)容設(shè)置為1;Block-Erase和Sector-Erase分別以塊和扇區(qū)為單位刪除flash，而且flash的擦除次數(shù)是有限的。當(dāng)一個(gè)塊或扇區(qū)提前達(dá)到擦除次數(shù)的上限時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)flash無法使用。通常上限為每個(gè)塊可擦除100000次。為了避免任意一個(gè)塊在其它塊之前達(dá)到這個(gè)極限，文件系統(tǒng)必須保證擦除次數(shù)在各擦除塊之間盡可能均勻分布，這一過程稱為“均衡磨損 （Wear Leveling） 。 ”

4.觸摸屏的簡介：

　　觸摸屏工業(yè)圖形顯示器，簡稱觸摸屏，它是一種連接人和設(shè)備（主要是PLC）的人機(jī)界面（Human and Machine Interface/Man and Machine Interface ，簡稱HMI/MMI）。它是用來替代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤的智能化操作顯示器，是工業(yè)場合常用的操作臺(tái)，一般用來連接PLC、變頻器等設(shè)備。

圖1 觸摸屏系統(tǒng)

　　主要的功能包括：

　　·設(shè)備監(jiān)視功能 以數(shù)據(jù)曲線、圖形或動(dòng)畫的形式來反映設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài);

　　·設(shè)備控制功能 通過觸摸操作來改變?cè)O(shè)備（如PLC的寄存器）的內(nèi)部寄存器，從而參與控制過程;

　　· 數(shù)據(jù)記錄功能 通過標(biāo)準(zhǔn)的大容量CF卡存儲(chǔ)配方數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)和歷史報(bào)警信息。

　　通常,在上位機(jī)（pc）用組態(tài)軟件（HMI/MMI）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)（包括系統(tǒng)文件、畫面文件、通訊協(xié)議等）下載到觸摸屏，此時(shí)PC和觸摸屏是上位機(jī)和下位機(jī)的關(guān)系。觸摸屏運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)與PLC 通訊，根據(jù)情況讀寫PLC寄存器，并把寄存器值的變化在顯示器內(nèi)部以圖形、畫面、曲線等形式表現(xiàn)出來，此時(shí)觸摸屏和PLC是主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系。

5.文件系統(tǒng)

　　本論文嵌入式系統(tǒng)使用的CPU是三星的ARM7系列的S3C44B0，存儲(chǔ)器采用的是sst39VF160型flash，操作系統(tǒng)選用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)µCOS-II。該文件系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)上與MS-DOS的FAT文件系統(tǒng)類似。本flash文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如表1所示：

表1 本Flash文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　Flash的空間分配如表2：

表2 Fl ash 空間分配

　　Flash前面的32k存放bootloader程序，bootloader程序是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

　　簇表記錄了除文件首簇以外文件使用的所有簇的情況（文件的首簇使用情況記錄在文件分配表中），簇表的序號(hào)與文件所使用的簇號(hào)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖2給出了本文件系統(tǒng)中簇表和文件分配的關(guān)系，配合這個(gè)例子，可以清楚的了解簇表在文件系統(tǒng)中的作用及文件系統(tǒng)是如何利用簇表來完成工作的。例子中文件的起始簇號(hào)為4，占用4個(gè)簇的空間（第4簇到第7簇）。

圖2 簇表和文件分配的關(guān)系

　　根據(jù)簇表可以知道某簇的使用情況，是使用還是未使用。在進(jìn)行文件操作時(shí)，根據(jù)文件分配表中找到文件的起始簇，然后在簇表中查出鏈接簇號(hào)。簇表內(nèi)容見表3。

表3 簇表

　　系統(tǒng)信息表：存放媒質(zhì)信息和最重要的文件系統(tǒng)信息。媒質(zhì)信息諸如flash存儲(chǔ)器的類型、容量，劃分成多少個(gè)區(qū)塊，每區(qū)塊包含多少個(gè)扇區(qū)等。文件系統(tǒng)信息包括版本信息、保留區(qū)塊的數(shù)目和位置、文件分配表和文件登記表所在的位置和大小、數(shù)據(jù)區(qū)域的位置和大小等。

　　簇表：本flash系統(tǒng)定義256type為一簇，簇表存放著flash存儲(chǔ)器的簇的占用與空閑情況。FAT文件系統(tǒng)中有12 位、16 位、32位三種不同的FAT 格式?？紤]到在微處理器上實(shí)現(xiàn)的方便及本系統(tǒng)使用的flash是16bit，所以將簇表固定為16位的格式。由于flash的前32k用來固定存放bootloader，簇表的前128項(xiàng)被閑置，現(xiàn)在用來存放系統(tǒng)信息表內(nèi)容。

　　數(shù)據(jù)區(qū)域：用于存放文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容。本flash文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配的最小單位是簇，而扇區(qū)（sector）是一個(gè)基本擦除單位。

　　本flash文件系統(tǒng)提供：文件系統(tǒng)的格式化，文件的打開、關(guān)閉、刪除、建立、讀、寫。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，本文件系統(tǒng)未提供目錄訪問功能。

　　文件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先上位機(jī)通過Jtag口把bootloader程序燒寫flash中，然后上位機(jī)通過RS232串口將系統(tǒng)下載到下位機(jī)，下載過程中生成文件系統(tǒng)。簇表類似FAT格式，當(dāng)文件系統(tǒng)要建立文件時(shí),它總是首先進(jìn)入簇表,然后搜索簇表尋找可用簇,盡量找連續(xù)的可用簇（其簇表項(xiàng)值為0）,并將該簇簇號(hào)作為該文件的起始簇號(hào)寫到文件分配表中的起始簇號(hào)項(xiàng)中,并將數(shù)據(jù)存入該簇中。如果一個(gè)連續(xù)空簇還未存下此文件則找下一個(gè)連續(xù)空簇,這樣就形成了一個(gè)簇鏈。前一個(gè)簇對(duì)應(yīng)的簇表項(xiàng)中總是記錄著下一個(gè)簇的簇號(hào),而在最后一個(gè)簇表項(xiàng)中填入文件結(jié)束標(biāo)志0xFFFF,訪問文件時(shí),順著這條扇區(qū)鏈就可以找到全部文件的內(nèi)容。

　　為了解決flash存在先擦除再寫的缺陷和“均衡磨損”問題。本文件系統(tǒng)在修改某個(gè)畫面文件并下載到下位機(jī)時(shí)，文件系統(tǒng)檢查到flash存在這個(gè)文件的舊數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候，遵循先寫后擦除的原則。即在簇表尋找未使用的空簇，寫入新的文件數(shù)據(jù)，同時(shí)，修改簇表，將存放原來文件對(duì)應(yīng)的簇表項(xiàng)置0x1111（臟數(shù)據(jù)），自動(dòng)修改文件分配表，將該文件的起始簇由原來的簇號(hào)改為現(xiàn)在的簇號(hào)。雖然不能完全達(dá)到“均衡磨損”，但在一定程度上緩解了這個(gè)問題，滿足實(shí)際的需求。當(dāng)文件比較多而flash的空間緊張時(shí)，借鑒JFFFS2文件系統(tǒng)的垃圾集回收技術(shù)的思想，規(guī)定當(dāng)空的扇區(qū)數(shù)少于6個(gè)，激活一個(gè)任務(wù)，開始回收臟空間，始終保證系統(tǒng)有至少6個(gè)扇區(qū)的空間使用。

6.結(jié)論

　　本文件系統(tǒng)針對(duì)flash本身先擦除再寫的缺陷和“均衡磨損”的特性，同時(shí)結(jié)合了FAT文件系統(tǒng)和JFFF2文件系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)文件的組織與管理，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　本文件系統(tǒng)應(yīng)用于觸摸屏產(chǎn)品當(dāng)中，實(shí)際運(yùn)行效果良好，同時(shí)，也可以作為其他嵌入式文件系統(tǒng)的參考。

[參考文獻(xiàn)]

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　　[4] sst39VF160技術(shù)手冊(cè)