本文基于AVR單片機擴展Flash存儲器和以太網控制器設計了一款嵌入式文件系統，實現數據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 硬件平臺設計

　　本嵌入式文件系統選用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數據頁，每頁可存儲264字節。通過串行外圍設備接口SPI實現ATmega 128和AT45DB081之間的數據通信。文件系統的硬件結構如圖1所示。其中，RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器。

　　2 嵌入式文件系統總體設計

　　文件系統的管理是通過把它所管理的信息組織成文件形式來實現的。文件是具有名稱的相關信息元素的序列。從用戶角度看，文件系統主要實現了按名存儲；從系統管理的角度看，它主要實現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。文件系統要借助于組織良好的數據結構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。文件系統對于底層硬件的特性一般并不關心，只提供簡單且標準的接口。

　　2．1 文件系統存儲結構

　　根據Flash芯片的特性，為了最快捷地實現文件數據的讀取，本文件系統采用單級目錄結構，利用鏈接頁的方法管理Flash的存儲空間。文件系統存儲結構圖如圖2所示。在Flash存儲器中，文件系統分為3部分：文件系統信息表(FAT)、文件控制塊(File Control Block，FCB)和數據區(Data Area，DA)。

　　文件系統信息表(FAT)用于存放文件系統的信息和屬性。數據結構包含FAT的有效性標志、文件總數、第一個文件控制塊的扇區號及其在存儲器中的地址，以及當前FAT在存儲器中的地址。

　　文件控制塊(FCB)是存放在Flash中的，表示文件的靜態信息。數據結構包含文件名(11字節之內)、文件首簇所在的扇區號、文件長度、文件屬性、文件創建時間、下一個FCB的Flash地址以及文件控制塊有效標志。文件控制塊之間采用鏈表形式鏈接。

　　文件句柄(File_Handle)是存放在內存中的，表示文件的動態信息。當用戶打開或創建文件時，會在內存中申請一個文件句柄。數據結構包含文件句柄標示號、文件句柄狀態、文件名、文件首簇號、首簇所在的扇區號、當前簇號、文件指針、文件長度以及文件的FCB地址。

　　操作系統中將相鄰的扇區組合在一起，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據，操作系統規定一個簇中只能放置一個文件的內容，因此文件所占用的空間，只能是簇的整數倍。本文設計的文件系統規定一個簇的大小為存儲器的一個頁。

　　2．2 文件系統體系結構

　　如圖3所示，文件系統對外接口函數為應用層提供統一的抽象接口和數據結構，應用程序通過文件系統對外接口函數來實現文件操作和設備管理功能，隱藏了文件系統底層驅動和設備驅動的實現細節。位于下層的設備驅動，提供了文件數據在設備上的存取操作接口。

　　3 嵌入式文件系統實現及設備驅動

　　文件系統設計的目的在于實現對數據的有效管理以及對存儲器空間的平均使用，文件系統的設計包括文件系統對外接口函數和底層驅動程序的設計。

　　3．1 文件系統對外接口函數

　　調用文件系統的對外接口函數是應用程序使用文件系統的唯一途徑，其接口的規范性、易用性、功能性關系到文件系統的開放型和用戶對文件系統的接受程度。文件系統提供的對外接口函數如表1所列。應用程序通過調用這些接口函數即可實現對文件的管理和操作。

　　3．2 文件系統底層驅動程序

　　文件底層驅動為文件系統的對外接口函數服務，包括文件系統信息表的讀寫、文件控制塊的讀寫、文件句柄的讀寫以及各類簇的相關操作等。文件系統的底層驅動函數如表2所列。

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

　　函數功能描述：申請一個凈簇。

　　入口參數：無。

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

　　該函數的流程如圖4所示，程序從存儲區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，程序結束。

　　3．3 Flash設備驅動

　　對文件系統的操作歸根結底是對存儲器的讀寫操作。文件操作時設備驅動程序為文件系統提供對存儲器的控制，一般包括讀、寫和復位操作。本文基于Flash芯片AT45DB081存儲器，為文件系統提供表3所列的驅動函數。

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

　　結語

　　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組成的系統上具體實現及驗證，取得很好的效果。本文件系統在基于Flash存儲器的日志型數據采集記錄應用中具有較高的應用價值。