本文基于AVR單片機擴展Flash存儲器和以太網(wǎng)控制器設(shè)計了一款嵌入式文件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和存儲器使用的損耗均衡，為延長Flash存儲器的使用壽命提供研究方法。

　　1 硬件平臺設(shè)計

　　本嵌入式文件系統(tǒng)選用Atmel公司的AVR單片機ATmega 128和Flash存儲器AT45D13081。該Flash芯片具有8 Mb存儲空間，共分為4096數(shù)據(jù)頁，每頁可存儲264字節(jié)。通過串行外圍設(shè)備接口SPI實現(xiàn)ATmega 128和AT45DB081之間的數(shù)據(jù)通信。文件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器。

　　2 嵌入式文件系統(tǒng)總體設(shè)計

　　文件系統(tǒng)的管理是通過把它所管理的信息組織成文件形式來實現(xiàn)的。文件是具有名稱的相關(guān)信息元素的序列。從用戶角度看，文件系統(tǒng)主要實現(xiàn)了按名存儲；從系統(tǒng)管理的角度看，它主要實現(xiàn)了文件存儲器的空間組織及分配、文件信息的存儲以及文件的保護及檢索。文件系統(tǒng)要借助于組織良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來有效地對文件信息進行管理，使用戶更方便地存儲信息。文件系統(tǒng)對于底層硬件的特性一般并不關(guān)心，只提供簡單且標(biāo)準(zhǔn)的接口。

　　2．1 文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)Flash芯片的特性，為了最快捷地實現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的讀取，本文件系統(tǒng)采用單級目錄結(jié)構(gòu)，利用鏈接頁的方法管理Flash的存儲空間。文件系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在Flash存儲器中，文件系統(tǒng)分為3部分：文件系統(tǒng)信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，F(xiàn)CB)和數(shù)據(jù)區(qū)(Data Area，DA)。

　　文件系統(tǒng)信息表(FAT)用于存放文件系統(tǒng)的信息和屬性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含F(xiàn)AT的有效性標(biāo)志、文件總數(shù)、第一個文件控制塊的扇區(qū)號及其在存儲器中的地址，以及當(dāng)前FAT在存儲器中的地址。

　　文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態(tài)信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件名(11字節(jié)之內(nèi))、文件首簇所在的扇區(qū)號、文件長度、文件屬性、文件創(chuàng)建時間、下一個FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標(biāo)志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。

　　文件句柄(File_Handle)是存放在內(nèi)存中的，表示文件的動態(tài)信息。當(dāng)用戶打開或創(chuàng)建文件時，會在內(nèi)存中申請一個文件句柄。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含文件句柄標(biāo)示號、文件句柄狀態(tài)、文件名、文件首簇號、首簇所在的扇區(qū)號、當(dāng)前簇號、文件指針、文件長度以及文件的FCB地址。

　　操作系統(tǒng)中將相鄰的扇區(qū)組合在一起，形成一個簇，然后再對簇進行管理。顯然，簇是操作系統(tǒng)所使用的邏輯概念，而非磁盤的物理特性。為了更好地管理磁盤空間和更高效地從硬盤讀取數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)規(guī)定一個簇中只能放置一個文件的內(nèi)容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數(shù)倍。本文設(shè)計的文件系統(tǒng)規(guī)定一個簇的大小為存儲器的一個頁。

　　2．2 文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示，文件系統(tǒng)對外接口函數(shù)為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)對外接口函數(shù)來實現(xiàn)文件操作和設(shè)備管理功能，隱藏了文件系統(tǒng)底層驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)細節(jié)。位于下層的設(shè)備驅(qū)動，提供了文件數(shù)據(jù)在設(shè)備上的存取操作接口。

　　3 嵌入式文件系統(tǒng)實現(xiàn)及設(shè)備驅(qū)動

　　文件系統(tǒng)設(shè)計的目的在于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效管理以及對存儲器空間的平均使用，文件系統(tǒng)的設(shè)計包括文件系統(tǒng)對外接口函數(shù)和底層驅(qū)動程序的設(shè)計。

　　3．1 文件系統(tǒng)對外接口函數(shù)

　　調(diào)用文件系統(tǒng)的對外接口函數(shù)是應(yīng)用程序使用文件系統(tǒng)的唯一途徑，其接口的規(guī)范性、易用性、功能性關(guān)系到文件系統(tǒng)的開放型和用戶對文件系統(tǒng)的接受程度。文件系統(tǒng)提供的對外接口函數(shù)如表1所列。應(yīng)用程序通過調(diào)用這些接口函數(shù)即可實現(xiàn)對文件的管理和操作。

　　3．2 文件系統(tǒng)底層驅(qū)動程序

　　文件底層驅(qū)動為文件系統(tǒng)的對外接口函數(shù)服務(wù)，包括文件系統(tǒng)信息表的讀寫、文件控制塊的讀寫、文件句柄的讀寫以及各類簇的相關(guān)操作等。文件系統(tǒng)的底層驅(qū)動函數(shù)如表2所列。

　　上述文件系統(tǒng)底層驅(qū)動函數(shù)中，凈簇的申請函數(shù)(unsigned long app_clus(void))直接影響到對存儲器存儲區(qū)域的使用分配。該函數(shù)的流程體現(xiàn)了對存儲器存儲區(qū)域的使用次數(shù)的平均分配。

　　函數(shù)功能描述：申請一個凈簇。

　　入口參數(shù)：無。

　　出口參數(shù)：<0x100000，申請到凈簇的頁地址；NO_CLEAN_SECTOR，沒有干凈的存儲空間。

　　該函數(shù)的流程如圖4所示，程序從存儲區(qū)的第一頁開始到最后一頁申請一個凈簇，若成功，返回簇地址；若失敗，則進行臟簇的清理，然后從清理過的存儲區(qū)中再申請一個凈簇，成功則返回簇地址，失敗則進行錯誤處理，程序結(jié)束。

　　3．3 Flash設(shè)備驅(qū)動

　　對文件系統(tǒng)的操作歸根結(jié)底是對存儲器的讀寫操作。文件操作時設(shè)備驅(qū)動程序為文件系統(tǒng)提供對存儲器的控制，一般包括讀、寫和復(fù)位操作。本文基于Flash芯片AT45DB081存儲器，為文件系統(tǒng)提供表3所列的驅(qū)動函數(shù)。

　　完成以上的軟硬件設(shè)計，基于PC機編寫一個客戶端測試軟件，通過自定的協(xié)議對文件進行操作，下載一個文件到文件系統(tǒng)，之后讀取比較，從而驗證文件系統(tǒng)的正確性。

　　結(jié)語

　　本文的方案主要針對存儲器的耗損均衡控制進行了重點設(shè)計，延長了Flash存儲器的使用壽命。對于文件的校錯、糾錯等其他功能并未詳細設(shè)計，采用單級目錄，不支持多級目錄。整個方案已在由單片機ATmega128及Flash AT45DB081組成的系統(tǒng)上具體實現(xiàn)及驗證，取得很好的效果。本文件系統(tǒng)在基于Flash存儲器的日志型數(shù)據(jù)采集記錄應(yīng)用中具有較高的應(yīng)用價值。