精品文檔-下載后可編輯基于MCF51QE128的SD卡文件系統設計-設計應用摘要：隨著嵌入式系統的發展，越來越多的嵌入式設備需要處理大量的數據，使用文件系統將成為這類嵌入式應用的一個必然趨勢。本文基于Freescale公司MCF51QEl28微控制器和SD卡，結合實驗數據深入探討了FATl6文件系統及其存儲原則，實現了文件的創建、打開和多扇區數據的讀寫。

引言

MCF51QEl28微控制器是Freescale公司生產的8位／32位兼容的低功耗微處理器。工作電壓的典型值是3．6V，與SD卡的工作電壓兼容，可直接與SD卡連接而無需電平轉換電路。SD卡因為其體積小、功耗低、容量大且成本低，目前被廣泛應用于各類嵌入式數據采集系統中。本文針對此類應用，通過實測512MBSD卡數據，以實例的形式深入解析了FATl6文件系統的存儲原則，并給出了實現方案。

1FATl6文件系統

SD卡格式化為FAT文件系統時，一般只采用1個分區，以便于存儲空間的管理。FATl6主要由圖1所示的6個陰影部分組成。通常情況下，每扇區的大小為512字節。

1.1主引導記錄

MBR(MasterBootRecord，主引導記錄)總是位于存儲卡的起始位置，即扇區O。圖2是主引導記錄的詳細信息。由于只有1個分區，所以由偏移量0x1BE可找到第1分區的入口，接著由偏移量0x08找到第1分區的相對起始扇區，即第1分區引導記錄所在的扇區。以512MBSD卡為例，讀取圖2中地址OxlC6～OxlC9處的4個字節數據(由高位向低位讀取)，即Ox000000E9。可知，第1分區引導記錄位于SD卡的第0xE9個扇區。

1．2分區引導記錄

分區BR(BootRecord，引導記錄)位于分區的第O扇區。它由跳轉代碼，OEM(OriginalEqtlipmentManufacturer，原始設備制造商)，BPB(BIOsParameterBlock，BIOS參數塊)，擴展BPB，引導代碼和結束標志(Ox55AA)組成。圖3重點列出了分區引導記錄中BPB的各項參數。讀圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量0x0B處2字節數據Ox0200=512可知，SD卡每扇區的字節數為512。類似地，可得到其他相關參數。

1．3FAT表和文件存儲原則

FATl6文件系統主要通過FAT表(FATl和FAT2)、根目錄和數據區實現對文件的存儲管理。FAT表記錄了數據文件的存儲鏈表，對數據的讀取極為重要，通常都會有一個或多個備份。這里，FAT2就是對FATl的備份，必須隨著FATl即時同步更新。根目錄一般以32字節為單位來存放文件記錄。

數據區主要存放文件數據，為了有效利用存儲空間，一般以簇為單位，簇的大小通常是2的，n次冪個扇區。FAT格式化后，簇的大小就確定下來了，可通過讀取分區引導記錄獲得。例如，讀取圖3中Ox000000E9扇區，由偏移量OxOD處1字節數據0x10=16可知，SD卡的1個簇占16個扇區。

如果將SD卡的存儲空間想象成一本書，那么要閱讀一篇文章，首先應該打開目錄找到文章的頁碼，然后根據頁碼翻到文章所在的地方。類比到FATl6文件系統，FAT表和根目錄就像書的目錄，簇號類似于書的頁碼，而數據區存放的就是文章的具體內容。

以打開文件為例，文件的存儲原則可以這樣描述：首先在根目錄中查找文件名，如有匹配，就找到了文件的開始簇號，好比知道了文章的頁碼。但文件的存儲和書不同，書的內容一般是連續的，而文件在存儲后是可以隨意修改的(例如添加或刪除)，因而在存儲空間上可能不連續，這樣就無法僅通過開始簇號找到整個文件。那么怎樣才能完整找到這些不連續的數據呢?答案就是FAT表。FAT表以“0xF8FFFFFF”作為開始標志，以2字節為單位存放文件簇號。FAT表實質是一個二維鏈表，如圖4所示。

FAT表上面的數字是這2個字節在表中的位置序號，同時也代表文件的簇號，與數據區的簇號對應，類似目錄的頁碼。通常SD卡上個文件的開始簇號為2。若文件長度小于1簇，則其開始簇號所對應的2字節值為FFFF。若文件長度大于1簇，則其開始簇號所對應2字節中存放的是文件所在的下一個簇號，由所得簇號再查找其對應的2字節，可找到文件接下來的簇號。依此類推，直到所得簇號對應的2字節值為FFFF，即為文件的結束簇號。根據上述原則，由FAT表和根目錄就可以確定文件在數據區的存儲簇號，從而實現文件數據的管理。

2FATl6文件系統設計

文件系統的基本功能包括：文件的創建、打開和讀寫。這里假定已經實現了MCF51QEl28微控制器和SD卡的硬件接口和底層通信，具體細節參考文獻。

2．1數據結構

為了便于對主引導記錄、分區引導記錄、FAT表、根目錄和數據區中的相關信息進行記錄和處理，定義了FATl6_t和FILE_t兩個結構體類型。數據類型byte、word和dword分別對應于8位、16位和32位數據。

FATl6_t結構體類型用于記錄主引導記錄和第1分區引導扇區信息，部分定義如下：

FILE_t結構體類型用于記錄每個文件項信息，部分定義如下：

2．2FATl6初始化

FATl6的初始化主要是讀取主引導記錄和第1分區引導扇區信息，并保存到FATl6_t類型變量中。初始化流程如圖5所示。

FATl6初始化子程序中調用了底層SD卡讀數據塊函數SD_ReadBlock。其函數聲明為byteSD_ReadBlock(dwordsector，byte*buffer)，用于讀入地址為sector扇區中的數據，暫存入buffer中。預編譯函數from_BE_32和from_BE_16分別實現由高位向低位讀取4字節和2字節數據。

FATl6初始化子程序聲明為byteInit_FAT(FArl6_t*FAT，byte*buffer)，部分代碼如下：

2．3打開和創建文件

打開和創建文件采用一個函數來實現。首先根據讀入的文件名查找根目錄，若有匹配項則打開文件，否則創建一個新文件。流程如圖6所示。

打開和創建文件子程序聲明為byteOpen_File(FILE_t*FILE，FATl6_t*FAT，byte*buffer，byte*name)。部分代碼如下：

在根目錄中查找是否有文件項匹配，從根目錄的第1個扇區開始讀扇區。

根據文件起始簇號和根目錄的記錄項號，計算文件FAT表、根目錄和數據區的相關信息。對于根目錄和數據區的信息，已有文件和新文件的計算一致。如果是新文件，還需修改FAT表和根目錄記錄項。

2．4多扇區數據讀寫

多扇區數據的讀寫是在打開文件的基礎上，以扇區為單位讀寫文件，可連續讀寫多個扇區數據，同時寫入文件的屬性、日期和時間。寫數據的流程如圖7所示，讀數據與之類似。多扇區數據的寫子程序聲明為byteWrite_File(FILE_t*FILE，FATl6_t*FAT，byteattribute，wordtime，worddate，dWOEdsize_s，byte*buffer)，根據寫入扇區數size_s，設置文件的寫入位置。首先將寫入扇區數與文件剩余扇區數進行比較，若寫入扇區數小于等于剩余扇區數，則新寫入扇區數、簇數均為0，文件結束簇、寫簇號不變，不需要修改FAT表，僅修改根目錄中的文件長度。否則，需要計算新寫入扇區數和簇數。若有增加簇，則需修改FAT表，包括FATl和FAT2、根目錄的文件記，錄項。，將數據寫入文件數據區。

結語