基于TMS320LF2407A支持FAT32文件系统嵌入式软

摘   要： 本文介绍了DSP TMS320LF2407A和FAT32文件系统结构，分析了基于TMS320LF2407A支持 FAT32文件系统结构的嵌入式软件实现。

引言
近几年来，随着闪烁存储技术的进步，由于Flash闪烁存储体系具有容量大和功耗低等优点，被广泛用于数码相机、媒体播放器和PDA等各种数码产品中。当前各种流行的嵌入式操作系统虽然功能完备，但在许多具体的应用中，仍需要编写特定的系统控制软件。数码产品中一个必要的软件模块就是对一种或多种文件系统的支持。FAT32文件系统被Windows和Linux等当前流行的PC操作系统广泛支持，这也是许多数码产品选择FAT32的原因。本文介绍了FAT32文件系统结构和基于DSP TMS320LF2407A为硬件平台支持 FAT32文件系统结构的嵌入式软件实现。

图1  FAT32文件系统的实现机制

FAT32文件系统结构简介
单FAT32分区的磁盘或闪烁存储器(以下没有特殊情况均指单FAT32分区情况)由主引导区(MBR)、系统引导区、文件分配表FAT1、文件分配表备份FAT2、文件根目录FDT和文件数据区组成，它们在磁盘上是顺序分布的，如图1所示。
主引导区从物理第一扇区开始，记录了第一磁盘分区的入口和剩余磁盘分区的入口信息、第一分区的文件系统格式、起始扇区号和大小。接下来就是FAT32文件系统的引导区，存放着BPB参数和系统引导程序，如图1左上方表格所示。然后是文件分配表及其备份FAT1和FAT2，用于管理和分配文件区的磁盘空间，其位置和大小由系统引导区中的参数计算可得。簇是FAT表给文件分配磁盘空间的最小单位，每个簇在FAT表中占有一个登记项，簇的编号与FAT登记项的编号一一对应。FAT表从第2个表项开始分配给文件，最开始两个表项即序号为0和1的表项为保留表项值为：0FFFFFF8和FFFFFFFF。其它的表项则以链表的形式存放下一个在逻辑上连续的簇号值，结束用0FFFFFFF标记表示不再有后续的表项，用00000000表示该簇没有被使用，FAT管理磁盘空间的工作机理如图1所示。磁盘空间的最后的部分为根目录和文件区，根目录FDT、普通文件目录和文件具体内容由FAT表统一管理，与FAT16文件系统为根目录划出专用的磁盘空间不同，这也是FAT32与FAT16的最大区别之一。在系统引导区第一扇区偏移量为2Ch处存放着根目录的入口簇号，根据FAT32系统信息可计算出根目录的具体位置，一般根目录的入口簇号为00000002。FAT32文件系统的文件登记表格式请参考图1，限于篇幅这里不介绍超长文件名。
另外，对于支持ATA协议标准块存储设备有物理寻址(CHS)和逻辑寻址(LBA)两种方式。在物理寻址方式下，存储空间通过磁头(Head)、柱面(Cylinder)和扇区(Sector)三个参数组织起来的，每一组H/C/S参数唯一确定存储载体中的一个扇区，通常一个扇区拥有512个字节的数据空间。逻辑寻址方式下，按照连续的逻辑扇区编号进行寻址，使用28个数据位来表示逻辑扇区的地址。下面给出物理寻址方式与逻辑寻址方式的对应关系，设NS为每磁道扇区数，NH为磁头数，C、H、S分别表示磁盘的柱面、磁头和扇区编号，LBA表示逻辑扇区号，Div为整除计算，mod为求余计算，则：LBA＝NH×NS×C+NS×H+S－1；C＝(LBA div NS)div NH；H＝(LBA div NS)mod NH；S＝(LBA mod NS)+1。
了解了FAT32文件系统的结构，就可以获取相关文件系统参数(参见图1)，对文件进行管理，包括一下几个方面：
*系统引导扇区开始的逻辑扇区号，由主分区第一扇区即物理第一扇区偏移量1C6h处获得。
*计算文件分配表及备份FAT1和FAT2的位置和大小：FAT1的起始逻辑扇区号＝保留扇区的大小＋系统引导扇区开始的逻辑扇区号；FAT2的逻辑扇区号＝FAT1的逻辑扇区号＋每个FAT所占的扇区数。
*根据根目录的起始簇号计算根目录的位置：根目录的起始逻辑扇区号＝FAT2的逻辑扇区号＋每个FAT所占的扇区数＋(根目录的起始簇号－2)×每簇扇区数。这也是根据簇号计算逻辑扇区号的公式。

图2  TMS320LF240A数据空间的分配

TMS320LF2407A简介及资源配置
TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，25ns指令周期，速度为40MIPS，低电压3.3V设计；总寻址范围192K字，其中包括64K 程序空间, 64K 数据空间, 64K I/O空间；片内程序空间集成32K字Flash；数据空间集成2.5K字RAM，包括544字DARAM，2K字SARAM；两个事件管理模块EVA、EVB，分别提供两个16bit全局计数器，8个脉冲宽度可调调制通道PWM，三个外部事件的定时采样捕获单元；同步的16通道高性能10bit ADC，转换速率为500ns；串行异步通信接口(SCI)、串行同步外设接口(SPI)、CAN总线2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多种数据传输接口，并且片内集成ADC模块，可被广泛用于控制、接口转换以及数据采集等领域。
充分利用TMS320LF2407A芯片自身的资源，其数据空间的分配如图2所示。在地址0060-007F数据空间，存放FAT32文件系统的重要参数和3个文件信息表，可以同时访问3个文件，满足很多应用场合的要求。文件信息表极为简单，其结构见图2，它提供了文件访问所需要的必要信息，能够方便的对文件操作。在文件信息表中，直接存放要访问的文件的目录所在的逻辑扇区号，避免了地址的重复计算，并记录了当前文件内容缓冲区存放的内容所在的簇号，便于对FAT分区表进行搜索。由于对文件的访问需要经常搜索FAT分区表，为了减少重复读取同一扇区的次数，分配了两个FAT表扇区缓冲区。为要访问的文件分配了文件目录缓冲区和文件内容缓冲区，大小均为256字(1个扇区的大小)。很多应用场合可能仅需要同时访问一个文件，为了提高数据传输率，可将文件内容缓冲区大小扩充到256×5字，即将文件目录缓冲区2、3和文件内容缓冲区2、3作为文件内容缓冲区1的扩充。由于TMS320LF2407A只有8级硬件堆栈，为保证系统软件工作的稳定性和正确性，且方便函数调用进行参数传递和临时变量的存放，将地址0200-02FF的数据空间作为系统函数调用堆栈段。另外，TMS320LF2407A集成了多种通讯接口和两个事件管理器，很多实时功能实现均依赖中断来实现，能响应的中断信号多达50个，为了满足实时性的要求减少软件设计的复杂度，将地址0300-03FF的数据空间作为中断程序的堆栈段。

图3  获取FAT32为按系统相关参数的流程图

软件实现
由于块存储设备内部数据按照字节为单位顺序存放，而TMS320LF2407A的数据总线均为16位，如果使用16位数据总线并行读取数据到数据缓冲区中，将会产生高低字节颠倒，需要软件进行调整(其实很多情况下不进行调整反而软件处理起来比较方便)。本软件实现流程图中，假定进行了高低字节调整，在缓冲区中的数据按照字节为单位顺序存放。获得FAT32分区的参数是对FAT32文件系统进行文件访问的基础，本文选择FAT表1起始逻辑扇区号、FAT表的长度、文件数据区起始逻辑扇区号、每簇扇区数、分区总扇区数、根目录的入口首簇号作为一组参数。也可以根据软件实现的复杂度、信息是否冗余等条件，选择别的参数，比如FAT表2起始逻辑扇区号、根目录的起始扇区号等。图3给出了基于TMS320LF2407A获取FAT32文件系统的上述参数的流程图，其中用到的FAT32文件系统的相关参数位置信息和计算公式在此不再重复。首先读取主引导扇区到缓冲区并进行结束标志(55AAh)判断；然后根据第一分区入口处读取该分区的分区类型信息，判断是否为FAT32分区格式；再根据第一分区入口处提供的第一分区的起始逻辑扇区地址信息将系统引导扇区到缓冲区并进行结束标志(55AAh)判断；最后根据系统引导扇区提供的BPB参数，经过必要的计算，依次获得FAT32文件系统的相关参数。
以在根目录下新建一个文件为例，说明基于TMS320LF2407A对FAT32文件系统中的文件进行访问的软件。

图4  在根目录下搜索未用文件目录登记表项流程图

1、 搜索根目录下的未用的目录表项，空白表项以00字节开始，被删除的表项以E5字节开始。流程图见图4，由三重循环实现，最内层循环检测文件目录缓冲扇区(0A00-0AFF)是否有以00或E5字节开始的目录表项；中间层循环将一个簇下的所有扇区顺序读到文件目录缓冲扇区以供最内层循环检测；最外层循环则从文件根目录入口簇号开始，搜索入口簇号对应的FAT表链(在图4中由子程序1实现)，将链中的簇号提供给中间层循环使用，直到链尾0FFFFFFF结束。如果在循环过程中检测到有空白或者已经被删除的目录表项存在，则跳至3，否则进入2。
2、 在根目录入口簇号对应的FAT表链链尾追加一个新的FAT表项(在图4中由子程序2实现)，并将新的FAT表项对应的文件数据空间全赋0值(因为未被使用的FAT表项对应的文件数据空间并非一定为0值而将被来用存放根目录的目录表项，为保证目录表项的正确性将这段数据空间赋0值表示所有目录表项都是空白的)。将新的FAT表项对应数据空间第一扇区前32字节作为空白的目录表项，进入3(第1、2两步的流程图请参见图4)。
3、 在找到的空白目录表项写入相关数据：文件名、扩展名、属性等，但此时只能在文件入口首簇号和文件长度参数赋0值。将目录缓冲扇区数据回写到磁盘后，在Windows等操作系统中就能在根目录找到相应的文件名了。
4、 搜索FAT表中空白表项并计算其对应的簇号，将搜索到FAT空白表项写入0FFFFFFF值并回写到磁盘，同时要修改分区表FAT表1和其备份FAT表2；将得到的簇号写入目录表项中缓冲区中相应位置并回写到磁盘。
5、 向第4步中搜索到FAT空白表项对应的磁盘空间写入数据，并修改文件长度参数回写到磁盘。
6、 如果文件长度较长，则在该文件对应的FAT表链链尾追加一个新的FAT表项，并向新表项对应的磁盘空间写入数据修改文件长度参数回写到磁盘。
7、 重复第6步，直到将文件数据全部写入磁盘空间或者用尽磁盘空间为止。
删除文件是新建文件的逆过程，但比新建文件简单的多，仅需要删除文件目录表项(在文件表项第一字节赋值E5h即可)和文件对应的FAT表链即可。

结语
TMS320LF2407A可以方便地与Flash闪烁存储载体搭建硬件平台，并且在芯片集成了多种数据传输接口和ADC模块，可被广泛用于控制、接口转换以及数据采集存储等领域。由于FAT32文件系统被当前流行的PC操作系统，如Windows和Linux支持，按照FAT32文件系统进行数据管理的意义在于，使得PC机与这些闪烁存储载体很方便的进行数据交换，有更好的通用性、兼容性和更广阔的应用场合。笔者用TI公司的DSP汇编编写了完整的FAT32文件系统支持程序，其核心代码不足500行，运行稳定可靠，可以直接烧入到TMS320LF2407A片内程序Flash空间，不需要外扩Flash存储芯片。