flash文件系统实现原理

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摘要：在深入分析TI为开发DSP提供的RTS.LIB(RTS.SRC为源泉代码)的基础上，介绍对自定义的文件和设备的操作方法；设计一个简易的Flash文件系统，极

大地方便了应用编程。

    关键词：DSP CC/CCS Flash 文件系统

1 概述

在开发DSP的应用程序过程中，经常需要处理一些数据文件。这些数据文件可以是实际采集到的数据集合，也可以是用模拟仿真软件产生的数据集合，一般是

以文件的形式存放在主机磁盘上的。一般的开发环境（如TI的CCS和CC）都提供了ANSI C标准操作文件格式，如打开一个文件fopen("盘符：/路径/文件名"，

“打开模式”)。嵌入式系统一般都外挂Flash。我们希望能够和读写主机磁盘文件一样操作Flash读写时序等问题，使应用编程人员可以把精力用在解决实际

应用问题上，从而提供一个良好的编程接口。同时，在需要键盘、串口等设备的系统中，也希望提供一个简易的API接口，如从键盘得到一个键，只需作如下

操作，在执行fopen("keyboard","读")后，就可以用fread函数读入一个字符。

结合TI公司提供的DSP开发环境CC/CCS（CC针对3X系列，CCS针对5X和6X系列）和实际开发经验，提供上述问题的解决方案，并成功应用到我们的产品中。

2 CC/CCS文件操作机制

TI公司为其TMS320C3X系列DSP提供了一个开发环境Code Composer,配套的C语言编译器提供了文件的标准操作。在调试(debug)环境下，对主机(host)硬盘文

件的操作是通过标准的ANSI文件操作格式与主机的通信来完成的。ANSI C I/O操作分为三个等级—high level、low level和Device level。在High level中

，标准接口是Fopen和Fwrite等函数；而Low level中是Open和Write等函数。这三个等级功能用三个表来实现—文件表、流表（实质就是内存缓冲区索引）和

设备表。文件的打开和关闭等基本属性在文件表中反应。当打开一个文件时，文件表中便相应增加一个描述该文件的信息单元；同样，关闭一个文件时，该

文件的信息单元从文件表中被删除。流表提供了对文件的缓冲操作处理，缓冲区位置和大小等均在流表中记录。一个文件对应一个流，即缓冲区。对文件的

读写就是对缓冲区的读写。当缓冲区填满时，再一次性写入Flash等设备中，避免了对Flash的频繁操作，延长了Flash的使用寿命。设备包括Flash、硬盘、

键盘等在设备表中体现。多个流可以对应一个设备，例如在Flash中可以打开多个文件，但是一个设备不能对应多个流。流操作和设备操作是紧密联系在一起

的。当打开一个文件时，同时给出了该文件在什么设备上操作，再分配一个流。以后对该文件的操作通过流对应的具体设备的驱动函数来完成。主机的

target任何外设都可被加入进去成为设备表的成员之一。

Code Composer对HOST磁盘文件的操作最终是通过与HOST集成开发环境通信的方式来进行。TI提供的RTS.LIB提供两个函数与主机通信，writemsg()函数发送

数据和参数到主机。Readmsg()函数从主机读取数据到目标机。Code Composer再与主机进行交互，利用主机文件系统的支持，屏蔽了具体的物理地址读写问

题。在调试阶段，当要在主机上建立文件、读取文件和存储数据时，只需用标准的ANSI C函数操作就可以，从而极大方便了编程调试。

3 Flash文件系统的实现

嵌入式文件系统一般有集中管理文件系统，存储空间的使用信息集中存在存储器的某个地方，如DOS的FAT，Unix的inode表。线性文件系统，又称为连续文件

系统，每个文件相关的所有信息都连续存放在存储器中。与集中式文件系统相比，实现更简单，读写更快，特别是将文件的关键系统分布存放。日志文件系

统顺序写入文件系统的修改，如同日志记录一样，可加速文件写入和崩溃修复。采用Log唯一结构，Log包含索引信息、名称和数据。嵌入式系统不可能带硬

盘，一般都是基于Flash存储器的。

3．1 Flash特点及其相应处理

Flash的读操作与普通RAM时序一样，但是写和擦除操作则具有自身的特点。同一地址不能同时写入两次，必须进行费时的擦除操作。执行擦除的方式有三种

：一是片擦除，即一次性全部擦除所有内容（这个相当于格式化功能，在第一次使用时可以执行这种操作）；二是块擦除；三是扇区擦除。以SST39VF400A为

例，块Block的大小是32KB，扇区的大小是2KB，块擦除一次擦除一个块内容；扇区类似。如果一个文件内容被改动，且改动的内容不足一个扇区的话，则更

新文件时必须重写这个扇区的所有内容；在重写前必须擦除该扇区的所有内容。因此基于Flash的文件系统不能完全套用已有的文件系统，但可以在其基础上

进行改动。Flash能够擦除的范围越小，对文件的改动就越小，所执行的I/O操作就越小，从而减少I/O时间，提供文件系统的实时性能。我们使用的

SST39VF400A的扇区大小是2KB，也就是2048B（1K=1024）。用常数定义，#define FileUnit 2048。

3．2 Flash文件系统的层次性

与ANSI C标准相对应，我们将Flash文件系统分为3个层次。第一层次，API层。API层是文件系统与用户应用程序之间的接口，包含一个与文件函数相关的函

数库，如FS_FOpen、FS_Fwrite等，也相当于High Level层。第二层次，文件系统层，即Low Level层。该层处理文件是否存在，打开，关闭和为文件分配相

应的缓存等。该层调用底层驱动。第三层是Device Level层，就是设备驱动层。Flash的实际读写操作就是在该层进行的，特定的Flash存储器对应特定的读

写程序。

3.3 Flash文件信息表的设计

该表保存Flash中已有文件的属性，Flash大小和文件的属性等都在该表中反映出来。该表与Flash中的内容保持同步更新，即一个文件最小块更新完毕时，写

入Flash中。

Flash的空间分配：

①Flash空间，以簇为单位，读和写都是一簇，即一个扇区单位；

②0簇给文件分配表，不被应用文件占用；

③每次文件系统初始化时，把Flash内0簇的内容读取到内存中，保存在数组FAT16[]中。

常量定义

#define CLUSTER_BLOCK_SIZE 2048 //每一簇的字节数

#define NUMBER_OF_CLUSTER_IN_FAT16 25

//在文件分配表中，一共有多少个簇

#define NUMBER_OF_FILE_BUF 10

//一共有几个文件缓冲区

#define MODE_OPEN_FILE_READ 0x01 //读取（文件打开模式）

#define MODE_OPEN_FILE_WRITE 0x02 //写入（文件打开模式）

#define MAX_SIZE_OF_FIEL 2048 //文件的最大尺寸

文件结构体：

typedef struct{

unsigned int IsLock:1;//文件是否被上锁，=0没打开；=1已被打开。此标志只在文件的第一簇使用

unsigned int status:7;//簇的状态，=0，此簇为色，没使用；=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]; //文件扩展名，在第一簇有效

unsigned int SizeOfFile;//文件的字节数，在第一簇有效

unsigned int NextCluster;//下一簇的簇号。当为0xffffffff时，说明这是当前文件的最后一簇

}FlashFAT;

文件句柄结构体：

typedef struct{

unsigned int Buffer[CLUSTER_BLOCK_SIZE];//文件缓冲区

unsigned int fileblock;//文件当前簇的位置

unsigned int filemode;//打开支持的模式

unsigned int filebufnum;//文件缓冲区中已被/写的字节数

unsigned int fileCurpos;//文件读写的当前位置

unsigned int filesize;//文件的大小

}FlashFILE;

3.4 Device Level驱动函数

SST39VF400A标准设备级驱动函数如下：

void Program_One_Word(WORD SrcWord,WORD far Dst){/*写入一个字*/

WORD far *Temp;WORD far*SourceBuf;WORD far*DestBuf;

Int Index;DestBuf=Dst;

Temp=(WORD far *)0xC0005555;/*设置地址为C000：555h*/

*Temp=0xAAAA; /*写数据0xAAAA到此地址*/

Temp=(WORD far *)0xC0002AAA;/*设置地址为C000：2AAAh*/

*Temp=0x5555;/*写数据0x5555到此地址*/

Temp=(WORD far*)0xC0005555;/*设置地址为C000：5555h*/

*Temp=0xA0A0;/*写数据0xA0A0到此地址*/

*DestBuf=SrcWord;/*传送字节到目的地址*/

Check_Toggle_Ready(DestBuf);/*等待TOGGLF位准备好*/

}

源代码见网站www.dpj.com.cn。

3．5 Flash文件系统的工作流程

在使用Flash文件系统前，先将FlashROM设备加入设备表中（最开始假设Flash中没有任何文件），读入Flash文件表。下面简述系统工作流程。

（1）加入FlashROM设备

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是最底层的

flash驱动函数名称。针对不同的Flash，需要不同的驱动函数。

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）初始化文件系统

在使用Flash前，必须初始化。初始化临时文件缓冲区，将Flash的各种信息读入到系统中，如Flash的大小，存在的文件的名称、大小、建立日期等，这样系

统才能正确使用Flash.

Init_eFS();/*初始化文件系统函数*/

（3）执行各种文件操作

如果要在Flash上打开一个文件，执行fopen("FlashROM:/路径/文件名"，“打开模式”)就可以了。当打开文件时，先检查文件表中是否存在该文件。如果没

有，则在Flash文件表中查找是否存在该文件。如果存在，则打开；如果没有，则新建这样一个文件，同时打开该文件。随后就可以进行文件的读写、追加、

属性修改等操作。

该Flash文件系统的几个技术关键点：

①利用RTS.LIB(TI附带有源代码RTS.SRC)的高级层文件操作功能。该库已经按照ANSI C标准处理了高层文件应用问题。我们可以如同在上位机上编程一样使

用各种文件操作函数，不同的是将盘符改为FlashROM盘符。例如，将fopen("C:/read.txt","r")改为fopen("FlashROM:/read.txt","r")。用这种模式操作

Flash,的繁琐时序处理和扇区擦除等重复性问题，可以将精力集中到应用编程上来。

②用自设计的Low Level级代码接管了RTS.LIB的低层处理。前述的Flash文件信息表是核心，只有通过该表才能知道Flash中究竟有什么，在哪里操作。当在

API层操作文件时，高层函数将调用相应的底层处理属数，在Low Level判断文件是否打开，是否可读写等属性。同时为该文件分配一个内缓冲区，所有对该

文件的操作先操作缓冲区，即流操作。当缓冲区满时，调用的操作先操作缓冲区，即流操作。当缓冲区满时，调用Device Level级函数，将数据写入Flash中

。同样，读取的时候，是先读取一个扇区内容，处理完毕后再读取下一扇区内容。

操作键盘等其它外设相对Flash要简单得多，不用设计文件信息表。执行两个步骤就可以使用。一是加入设备，调用add_device(……)函数，填入设备名；二

是编写设备驱动函数，将对应的函数名作为参数传入add_device()中。在这里要说明的是，不同设备、同样的操作名其实际含义是不同的。如对键盘打开一

个字符，则意味着读入一个字符，因此在实际中应用灵活处理。

结语

该Flash文件系统实现了基本的文件读写功能，但是还有些不足地方：文件共享问题没有解决，在掉电的情况下可能导致文件丢失。由于我们研制这个Flash

系统的目的在于方便编程、调试；同时在我们的应用领域（电力系统继电保护）中，掉电的几率非常低，存储的文件主要是整定值、控制字（修改不多）和

故障滤波记录。这些数据即使丢失也不会造成灾难性的后果，故该系统在整体上满足我们的应用需求。