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基于CC/CCS的Flash文件系統設計
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，介紹對自定義的文件和設備的操作方法；設計一個簡易的Flash文件系統，極大地方便了應用編程。關鍵詞：DSP CC/CCS Flash 文件系統
1 概述
在開發DSP的應用程序過程中，經常需要處理一些數據文件。這些數據文件可以是實際采集到的數據集合，也可以是用模擬仿真軟件產生的數據集合，一般是以文件的形式存放在主機磁盤上的。一般的開發環境（如TI的CCS和CC）都提供了ANSI C標準操作文件格式，如打開一個文件fopen("盤符：\路徑\文件名"，“打開模式”)。嵌入式系統一般都外掛Flash。我們希望能夠和讀寫主機磁盤文件一樣操作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接口。同時，在需要鍵盤、串口等設備的系統中，也希望提供一個簡易的API接口，如從鍵盤得到一個鍵，只需作如下操作，在執行fopen("keyboard","讀")后，就可以用fread函數讀入一個字符。
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，并成功應用到我們的產品中。
2 CC/CCS文件操作機制
TI公司為其TMS320C3X系列DSP提供了一個開發環境Code Composer,配套的C語言編譯器提供了文件的標準操作。在調試(debug)環境下，對主機(host)硬盤文件的操作是通過標準的ANSI文件操作格式與主機的通信來完成的。ANSI C I/O操作分為三個等級—high level、low level和Device level。在High level中，標準接口是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—文件表、流表（實質就是內存緩沖區索引）和設備表。文件的打開和關閉等基本屬性在文件表中反應。當打開一個文件時，文件表中便相應增加一個描述該文件的信息單元；同樣，關閉一個文件時，該文件的信息單元從文件表中被刪除。流表提供了對文件的緩沖操作處理，緩沖區位置和大小等均在流表中記錄。一個文件對應一個流，即緩沖區。對文件的讀寫就是對緩沖區的讀寫。當緩沖區填滿時，再一次性寫入Flash等設備中，避免了對Flash的頻繁操作，延長了Flash的使用壽命。設備包括Flash、硬盤、鍵盤等在設備表中體現。多個流可以對應一個設備，例如在Flash中可以打開多個文件，但是一個設備不能對應多個流。流操作和設備操作是緊密聯系在一起的。當打開一個文件時，同時給出了該文件在什么設備上操作，再分配一個流。以后對該文件的操作通過流對應的具體設備的驅動函數來完成。主機的target任何外設都可被加入進去成為設備表的成員之一。
Code Composer對HOST磁盤文件的操作最終是通過與HOST集成開發環境通信的方式來進行。TI提供的RTS.LIB提供兩個函數與主機通信，writemsg()函數發送數據和參數到主機。Readmsg()函數從主機讀取數據到目標機。Code Composer再與主機進行交互，利用主機文件系統的支持，屏蔽了具體的物理地址讀寫問題。在調試階段，當要在主機上建立文件、讀取文件和存儲數據時，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文件系統的實現
嵌入式文件系統一般有集中管理文件系統，存儲空間的使用信息集中存在存儲器的某個地方，如DOS的FAT，Unix的inode表。線性文件系統，又稱為連續文件系統，每個文件相關的所有信息都連續存放在存儲器中。與集中式文件系統相比，實現更簡單，讀寫更快，特別是將文件的關鍵系統分布存放。日志文件系統順序寫入文件系統的修改，如同日志記錄一樣，可加速文件寫入和崩潰修復。采用Log唯一結構，Log包含索引信息、名稱和數據。嵌入式系統不可能帶硬盤，一般都是基于Flash存儲器的。
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。如果一個文件內容被改動，且改動的內容不足一個扇區的話，則更新文件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。因此基于Flash的文件系統不能完全套用已有的文件系統，但可以在其基礎上進行改動。Flash能夠擦除的范圍越小，對文件的改動就越小，所執行的I/O操作就越小，從而減少I/O時間，提供文件系統的實時性能。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文件系統的層次性
與ANSI C標準相對應，我們將Flash文件系統
分為3個層次。第一層次，API層。API層是文件系統與用戶應用程序之間的接口，包含一個與文件函數相關的函數庫，如FS_FOpen、FS_Fwrite等，也相當于High Level層。第二層次，文件系統層，即Low Level層。該層處理文件是否存在，打開，關閉和為文件分配相應的緩存等。該層調用底層驅動。第三層是Device Level層，就是設備驅動層。Flash的實際讀寫操作就是在該層進行的，特定的Flash存儲器對應特定的讀寫程序。
3.3 Flash文件信息表的設計
該表保存Flash中已有文件的屬性，Flash大小和文件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，即一個文件最小塊更新完畢時，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簇給文件分配表，不被應用文件占用；
③每次文件系統初始化時，把Flash內0簇的內容讀取到內存中，保存在數組FAT16[]中。
常量定義
#define CLUSTER_BLOCK_SIZE 2048 //每一簇的字節數
#define NUMBER_OF_CLUSTER_IN_FAT16 25
//在文件分配表中，一共有多少個簇
#define NUMBER_OF_FILE_BUF 10
//一共有幾個文件緩沖區
#define MODE_OPEN_FILE_READ 0x01 //讀取（文件打開模式）
#define MODE_OPEN_FILE_WRITE 0x02 //寫入（文件打開模式）
#define MAX_SIZE_OF_FIEL 2048 //文件的最大尺寸
文件結構體：
typedef struct{
unsigned int IsLock:1;//文件是否被上鎖，=0沒打開；=1已被打開。此標志只在文件的第一簇使用
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];//文件名，在第一簇有效
char FileExName[3]; //文件擴展名，在第一簇有效
unsigned int SizeOfFile;//文件的字節數，在第一簇有效
unsigned int NextCluster;//下一簇的簇號。當為0xffffffff時，說明這是當前文件的最后一簇
}FlashFAT;
文件句柄結構體：
typedef struct{
unsigned int Buffer[CLUSTER_BLOCK_SIZE];//文件緩沖區
unsigned int fileblock;//文件當前簇的位置
unsigned int filemode;//打開支持的模式
unsigned int filebufnum;//文件緩沖區中已被/寫的字節數
unsigned int fileCurpos;//文件讀寫的當前位置
unsigned int filesize;//文件的大小
}FlashFILE;
3.4 Device Level驅動函數
SST39VF400A標準設備級驅動函數如下：
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;/*設置地址為C000：555h*/
*Temp=0xAAAA; /*寫數據0xAAAA到此地址*/
Temp=(WORD far *)0xC0002AAA;/*設置地址為C000：2AAAh*/
*Temp=0x5555;/*寫數據0x5555到此地址*/
Temp=(WORD far*)0xC0005555;/*設置地址為C000：5555h*/
*Temp=0xA0A0;/*寫數據0xA0A0到此地址*/
*DestBuf=SrcWord;/*傳送字節到目的地址*/
Check_Toggle_Ready(DestBuf);/*等待TOGGLF位準備好*/
}
源代碼見網站m.baimashangsha.com收集整理。
3．5 Flash文件系統的工作流程
在使用Flash文件系統前，先將FlashROM設備加入設備表中（最開始假設Flash中沒有任何文件），讀入Flash文件表。下面簡述系統工作流程。
（1）加入FlashROM設備
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）初始化文件系統
在使用Flash前，必須初始化。初始化臨時文件緩沖區，將Flash的各種信息讀入到系統中，如Flash的大小，存在的文件的名稱、大小、建立日期等，這樣系統才能正確使用Flash.
Init_eFS();/*初始化文件系統函數*/
（3）執行各種文件操作
如果要在Flash上打開一個文件，執行fopen("FlashROM:\路徑\文件名"，“打開模式”)就可以了。當打開文件時，先檢查文件表中是否存在該文件。如果沒有，則在Flash文件表中查找是否存在該文件。如果存在，則打開；如果沒有，則新建這樣一個文件，同時打開該文件。隨后就可以進行文件的讀寫、追加、屬性修改等操作。
該Flash文件系統的幾個技術關鍵點：
①利用RTS.LIB(TI附帶有源代碼RTS.SRC)的高級層文件操作功能。該庫已經按照ANSI C標準處理了高層文件應用問題。我們可以如同在上位機上編程一樣使用各種文件操作函數，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復性問題，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文件信息表是核心，只有通過該表才能知道Flash中究竟有什么，在哪里操作。當在API層操作文件時，高層函數將調用相應的底層處理屬數，在Low Level判斷文件是否打開，是否可讀寫等屬性。同時為該文件分配一個內緩沖區，所有對該文件的操作先操作緩沖區，即流操作。當緩沖區滿時，調用的操作先操作緩沖區，即流操作。當緩沖區滿時，調用Device Level級函數，將數據寫入Flash中。同樣，讀取的時候，是先讀取一個扇區內容，處理完畢后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，不用設計文件信息表。執行兩個步驟就可以使用。一是加入設備，調用add_device(……)函數，填入設備名；二是編寫設備驅動函數，將對應的函數名作為參數傳入add_device()中。在這里要說明的是，不同設備、同樣的操作名其實際含義是不同的。如對鍵盤打開一個字符，則意味著讀入一個字符，因此在實際中應用靈活處理。
結語
該Flash文件系統實現了基本的文件讀寫功能，但是還有些不足地方：文件共享問題沒有解決，在掉電的情況下可能導致文件丟失。由于我們研制這個Flash系統的目的在于方便編程、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，存儲的文件主要是整定值、控制字（修改不多）和故障濾波記錄。這些數據即使丟失也不會造成災難性的后果，故該系統在整體
上滿足我們的應用需求。
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