引 言
目前，對圖像處理系統(tǒng)的速度和精度要求越來越高，采樣的數(shù)據(jù)量也越來越大。而嵌入式系統(tǒng)中的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻，嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大。為了能夠?qū)崿F(xiàn)DSP(Digital Signal Processing)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，需要大容量的存儲介質(zhì)用于保存采樣結(jié)果。但是板載的Flash等容量通常不大，SDRAM掉電后數(shù)據(jù)會丟失，并且它們無法方便地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)主機(jī)上。閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，使得閃存卡(如CF卡、SD卡等)因其體積小、容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在嵌入式存儲領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，本文介紹一種使用CF卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)存儲大量數(shù)據(jù)的方法。FAT16文件系統(tǒng)具有出色的文件管理性能，能被大多數(shù)操作系統(tǒng)識別，因此將CF卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式存儲、記錄系統(tǒng)的一個理想方案。
1 System ACE原理
1.1 System ACE簡介
System ACE(System Advanced Configuration Environment)是Xilinx公司開發(fā)的系統(tǒng)高級配置系列，用以滿足面向多個FPGA的系統(tǒng)對高效空間、預(yù)置、高密度配置需求的解決方案。System ACE技術(shù)是一種突破性的系統(tǒng)內(nèi)可配置的解決方案，大幅節(jié)省了開發(fā)工作；與傳統(tǒng)的PROM相比，每比特成本也大大降低。System ACE技術(shù)是高容量FPGA系統(tǒng)的嵌入式解決方案。
System ACE系列把xilinx配置控制的專業(yè)技術(shù)和專注于存儲的產(chǎn)業(yè)結(jié)合在一起，它的第1個成員是SystemACE CF(CompactFlash)。
System ACE CF是1個芯片集，由2部分組成：一個是ACE控制器，另一個就是用于存儲的CF卡。
1.2 ACE控制器
如圖1所示，ACE控制器有4個接口，分別用來連接CF(CompactFlash)、MPU(Microprocessor)、用于連接FPGA的CFGJTAG(Configration JTAG)、允許高度靈活配置的TSTJTAG(Test JTAG)。下面著重介紹CF卡接口和MPU接口。
1.3 CF卡接口
CF卡接口可以連接的CF卡類型有Xilinx ACEFlash卡、任意標(biāo)準(zhǔn)的CF卡、高達(dá)8 Gb的IBM微型硬盤，以及所有有相同外形和電路板空間需求的存儲卡。
CF卡接口由2部分組成：一是CF卡控制器，二是CF卡仲裁器。CF卡控制器不僅用來檢測和維護(hù)CF卡設(shè)備的狀態(tài)，而且還處理所有的CF設(shè)備的訪問總線周期及提煉和執(zhí)行CF命令(如軟復(fù)位、讀／寫段)等。CF卡仲裁器決定微處理器和配置JTAG控制器哪一個來訪問CF卡的數(shù)據(jù)緩沖。
1.4 MPU接口
MPU接口功能：
◆MPU接口提供了監(jiān)控System ACE控制器和ACE Flash讀寫數(shù)據(jù)的功能。
◆MPU接口能夠識別CF卡并對CF卡進(jìn)行讀寫。
◆MPU接口能夠控制配置流，包括監(jiān)控ACE控制器的配置狀態(tài)和錯誤狀態(tài)，還能延時配置、開始配置、決定CF卡或MPU的配置源，控制比特流版本以及復(fù)位設(shè)備等。
本文就是利用ACE控制器的MPU接口，在該接口處連接DSP芯片，并通過CF卡為DSP加載文件系統(tǒng)。
1.5 System ACE的文件和目錄
．ACE是在目錄結(jié)構(gòu)的最底層。Xilinx的SystemACE軟件能夠?qū)⒈忍亓鬓D(zhuǎn)換為．ACE文件。1個．ACE文件代表特定設(shè)備鏈的比特流。
．collection是目錄結(jié)構(gòu)中緊挨著．ACE的上一層，由8個．ACE組成。在System ACE環(huán)境下，同一．collection下的所有．ACE文件都可以處理。
在1個CF卡設(shè)備中有多個collection，但在任意一時問只能有1個被激活，至于哪一個被操作是通過xilinx．sys文件來決定的。xilinx．sys文件在ACE Flash設(shè)備的根目錄下。ACE控制器能夠解析xilinx．sys文件。若根目錄下面沒有xilinx．sys文件，則必須有1個．ACE文件來充當(dāng)此角色。
System ACE目錄結(jié)構(gòu)的分層設(shè)計(jì)使得它能夠維護(hù)多個版本或者是不同設(shè)計(jì)的collection。每一個collection目錄可以有1個或者多個不同的子目錄。每一個子目錄只能包含1個．ACE文件。
Sysrem ACE目錄結(jié)構(gòu)的規(guī)則如下：
◆Sysrem ACE配置文件必須放在CF卡設(shè)備的第1分區(qū)。
◆Sysrem ACE分區(qū)必須被格式化為FAT12或者FAT16格式。
◆xilinx．sys必須在根目錄下。當(dāng)xilinx．sys不存在時，根目錄下必須有1個．ACE來充當(dāng)此角色。
2 CF卡原理
CF(Compact Flash)卡是以閃存為存儲，具有容量大(512 MB)、功耗低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。CF卡讀寫的最小單位為1個扇區(qū)(512字節(jié))，讀寫操作是通過卡內(nèi)緩沖區(qū)進(jìn)行的，不支持直接讀寫存儲區(qū)域。
CF卡可以工作在3種模式：PC Card Memory(Memory模式)，PC Card I／O(I／O模式)和True IDE模式。PCCARD模式與PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)兼容。TRUE IDE模式與ATA／ATAPI-4標(biāo)準(zhǔn)兼容。當(dāng)上電時，如果OE接地，則進(jìn)入True IDE模式，在此模式下只可以存取任務(wù)寄存器。另外2種模式需要通過設(shè)備結(jié)構(gòu)寄存器來選擇。
CF卡的操作方式與硬盤的操作方式相似。CF卡讀寫必須以扇區(qū)為單位，每個扇區(qū)為512字節(jié)，每次可以讀寫1個扇區(qū)或連續(xù)多個扇區(qū)。扇區(qū)的尋址方式有2種：邏輯尋址(LBA)和物理尋址(CHS)，它們之間的關(guān)系為：
LBA=(柱面號×磁頭數(shù)+磁頭號)×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1
尋址方式采用LBA(Logic Block Address)，該方式將全部扇區(qū)映射至1塊連續(xù)的地址空間中，這樣可以大大簡化編程的工作，同時避免了柱面、磁頭和扇區(qū)之間的換算，使尋址更方便。對CF卡的配置及各種操作，如讀寫、刪除、格式化等，都通過寫特殊功能寄存器完成。
3 文件系統(tǒng)的建立
3.1 文件系統(tǒng)的引入
100個數(shù)在文件系統(tǒng)中是如何存放的呢?在計(jì)算機(jī)中是以0／1二進(jìn)制的形式簡單地存放在存儲介質(zhì)中。如果不同的數(shù)多，如何處理?這就引出了文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)實(shí)際上就是對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。本文在CF卡上建立的文件系統(tǒng)是FAT16。FAT16是Microsoft較早推出的文件系統(tǒng)，具有高度兼容性，目前仍然廣泛應(yīng)用于個人電腦尤其是移動存儲設(shè)備中。
硬盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5部分：MBR(Main Boot Record，主引導(dǎo)扇)區(qū)，DBR(DosBoot Record，操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄)區(qū)，F(xiàn)AT(File AllocationTable，文件分配表)區(qū)，DIR(Directory，根目錄)區(qū)，DATA區(qū)。
MBR區(qū)位于整個硬盤的0柱面0磁頭1扇區(qū)(可以看作是硬盤的第1個扇區(qū))，bios在執(zhí)行自己固有的程序以后就會跳轉(zhuǎn)到mbr中的第1條指令，將系統(tǒng)的控制權(quán)交由mbr來執(zhí)行。在總共512字節(jié)的主引導(dǎo)記錄中，MBR的引導(dǎo)程序占了其中的前446字節(jié)(偏移0H～偏移1BDH)，隨后的64字節(jié)(偏移1BEH～偏移1FDH)為DPT(Disk Partition Table，硬盤分區(qū)表)，最后的2字節(jié)“55 AA”(偏移1FEH～偏移1FFH)是分區(qū)有效結(jié)束標(biāo)志。MBR不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，即不同的操作系統(tǒng)可能會存在相同的MBR，即使不同，MBR也不會夾帶操作系統(tǒng)的性質(zhì)，具有公共引導(dǎo)的特性。
DBR(Dos Boot Record，操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄)區(qū)通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)(特殊情況下也要占用其他保留扇區(qū)，這里先說第0扇)。在這512字節(jié)中，其實(shí)又是由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志和操作系統(tǒng)版本號、BPB(BIOS Parameter Block)、擴(kuò)展BPB、os引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。
FAT表是用FAT16來記錄磁盤數(shù)據(jù)區(qū)簇鏈結(jié)構(gòu)的。如前面的例子，F(xiàn)AT將磁盤空間按一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位稱為簇。通常情況下，每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的。簇的大小一般是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)的大小，像512 B、1 KB、2 KB、4 KB、8 KB、16 KB、32 KB、64 KB。實(shí)際中通常不超過32 KB。之所以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進(jìn)行磁盤的分配，是因?yàn)楫?dāng)分區(qū)容量較大時，采用大小為512位的扇區(qū)管理會增加FAT表的項(xiàng)數(shù)，對大文件存取增加消耗，文件系統(tǒng)效率不高。
DIR(Directory)是根目錄區(qū)，緊接著第二FAT表(即備份的FAT表)之后，記錄著根目錄下每個文件(目錄)的起始單元、文件的屬性等。定位文件位置時，操作系統(tǒng)根據(jù)DIR中的起始單元，結(jié)合FAT表就可以知道文件在硬盤中的具體位置和大小了。
數(shù)據(jù)區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲的地方，位于DIR區(qū)之后，占據(jù)硬盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)空間。
3.2 FAT16文件系統(tǒng)存儲原理
在FAT文件系統(tǒng)中，文件的存儲依照FAT表制定的簇鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。同時，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)將組織數(shù)據(jù)時使用的目錄也抽象為文件，以簡化對數(shù)據(jù)的管理。格式化FAT16分區(qū)時，格式化程序根據(jù)分區(qū)的大小確定簇的大小，然后根據(jù)保留扇區(qū)的數(shù)目、根目錄的扇區(qū)數(shù)目、數(shù)據(jù)區(qū)可分的簇數(shù)與FAT表本身所占空間來確定FAT表所需的扇區(qū)數(shù)目，之后將計(jì)算結(jié)果寫入DBR的相關(guān)位置。FAT16 DBR參數(shù)的偏移0x11處記錄了根目錄所占扇區(qū)的數(shù)目。偏移0x16記錄了FAT表所占扇區(qū)的數(shù)據(jù)。偏移0x10記錄了FAT表的副本數(shù)目。系統(tǒng)在得到這幾項(xiàng)參數(shù)以后，就可以確定數(shù)據(jù)區(qū)的開始扇區(qū)偏移了。FAT16文件系統(tǒng)從根目錄所占的32個扇區(qū)之后的第1個扇區(qū)開始以簇為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，這之前仍以扇區(qū)為單位。對于根目錄之后的第1個簇，系統(tǒng)并不編號為第0簇或第1簇，而是編號為第2簇，也就是說數(shù)據(jù)區(qū)順序上的第1個簇也是編號上的第2簇。FAT文件系統(tǒng)之所以有12、16、32不同的版本之分，其根本在于FAT表用來記錄任意一簇鏈接的二進(jìn)制位數(shù)。以FAT16為例，每一簇在FAT表中占據(jù)2字節(jié)(二進(jìn)制16位)。所以，F(xiàn)AT16最大可以表示的簇號為0xFFFF(十進(jìn)制的65535)，以32 KB為簇的大小的話，F(xiàn)AT32可以管理的最大磁盤空間為：32 KB×65 535=2 048 MB，這就是為什么FAT16不支持超過2 GB分區(qū)的原因。FAT表實(shí)際上是1個數(shù)據(jù)表，以2字節(jié)為單位，我們暫將這個單位稱為FAT記錄項(xiàng)，通常情況其第1、2個記錄項(xiàng)(前4個字節(jié))用作介質(zhì)描述。從第3個記錄項(xiàng)開始記錄除根目錄外的其他文件及文件夾的簇鏈情況。
4 DSP對CF卡的讀寫操作
4.1 DSP對CF卡讀寫的硬件電路
通過在MPU端口處連接DSP來實(shí)現(xiàn)DSP對CF卡的讀寫，圖2為DSP讀寫CF卡的示意圖，圖3為硬件連接圖。
4.2 DSP對CF卡讀寫的軟件流程
圖4為DSP讀寫CF卡數(shù)據(jù)的軟件流程。首先，DSP通過MPU端口訪問CF卡前必須獲得CF卡鎖，否則進(jìn)入等待直到CF卡處于空閑狀態(tài)或者強(qiáng)制獲得CF卡鎖。其次，CF卡數(shù)據(jù)的讀寫是以扇區(qū)為單位的。1個扇區(qū)可以分為若干個sector，每個sector的大小固定為512字節(jié)，每個sector又可分為16個buffer。若已知CF卡的容量就可以通過計(jì)算來設(shè)置LBA、sector變量以及buffer變量。最后，對buffer進(jìn)行讀寫，讀寫結(jié)束后釋放CF卡鎖。
4.3 程序設(shè)計(jì)
可以通過以下函數(shù)來實(shí)現(xiàn)DSP對CF卡的讀寫。
◆獲得CF卡鎖：Uint32 get_CF_lock(void)；
◆檢測CF卡當(dāng)前狀態(tài)：Uint32 check_CF_ready (void)；
◆檢測buffer是否準(zhǔn)備就緒：Uint32 wait_buffer_ready(void)；
◆讀CF卡數(shù)據(jù)：Uint32 read_data_from_CF(Uint8*p_data，Uint32 LBA，Uint16 Sector Count)；
◆向CF卡寫數(shù)據(jù)：Uint32 write_data_to_CF(Uint8*p_data，Uint32 LBA，Uint16 Sector_Count)；
◆復(fù)位：void reset(void)。
結(jié) 語
本文實(shí)現(xiàn)了DSP通過System ACE對CF卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理，充分利用了SystemACE技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)配置方案，突破了傳統(tǒng)的多FPGA應(yīng)用環(huán)境。
CF卡作為存儲介質(zhì)具有容量大、接口簡單、體積小、價格低廉和可靠性較高等特點(diǎn)，結(jié)合FAT16文件系統(tǒng)，可以很方便地存儲和回放數(shù)據(jù)。