回经验交流 基于单片机和ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯片的嵌入式文件系统 邹锦坤陈星徐承深 （大连理工大学机械学院） 摘要：介绍了一个基于单片机（ＳＳＴ８９Ｅ５６４ＲＤ）和三星ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯Ｈ（Ｋ９Ｆ１Ｇ０８ＵＯＭ）的嵌入式文件系统。 系统设计了ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ存储块管理层，能够对所有存储块进行动态管理，从而实现对牲个文件系统所仃区域
的保护。系统兼容ＦＡＴｌ６文件系统，提供统一的ＡＰＩ接口函数，具有良好的稳定性和可维护性。
关键词：嵌入式系统ｉ文件系统；单片机；ＦＬＡＳＨ １引言 １４前，市场上嵌入式设各的文件系统基本上都是 为菜种应用特别设计的专用文件系统，它们与通用 ＰＣ上的操作系统并不兼容。而通用计算机上虽有很
的巨大存储容量和低成本更加有利于嵌入式文件系 统的实现，已经成为嵌入式设备存储介质的主流。 本项目在ＦＡＴｌ６文件系统的基础上作了改进咀 适应嵌入式设备的使用要求．日，在文件系统的设计中 充分考虑提高系统的可靠性、Ｆｌａｓｈ存储器的磨损均
多成熟的文件系统，如ＤＯＳ下的ＦＡＴ文件系统、 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ Ｆ的ＮＴＦＳ及ＵＮＩＸ文件系统等，但衡性、坏块的管理和文件系统的效率等问题。 它
们并不适合直接用到工作环境恶劣的嵌入式设备上。 市场上并没有种成熟稳定，既能兼容通用ＰＣ操作 系统又能适应嵌入式设备工作环境的文件系统。 在一个手持式嵌入式设备的开发项目中，有这样 个难题，该设备文件系统要求：?在该手持式没备 中存储大量采集到的信息，最大存储量大于ｌＯＯＭ字
节。?信息要以文件方Ｊ＝５＝来存储，并且可以把文件导 本ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ嵌入式文件系统特点如下： （１）使用大容量的ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯片作为存储 介质，型号是三星的Ｋ９ＦＩＧ０８ＵＯＭ，容量为１２８Ｍ字节。芯片内部结构：芯片２０４８块，每块６４页， 页 大小为２０４８＋６４字节，其叶１该６４字节为备用空间。
（２）文件存储系统采用改进的ＦＡＴｌ６文件系统， 使在嵌入式系统上建立的文件可由ＰＣ机读出使用， 而ＰＣ机往嵌入式系统传输的文件也可被识别使用。
（３）嵌入式文件系统共分■层：硬件电路层：
ＮＡＮＤ 入ＰＣ机中进行数据分析。?该设备的使用环境比较
恶劣，供电不稳定，容易出现突然断电的情况。基于 Ｉ：述考虑，奉文针对移动式数据采集器设计了一个嵌 入式Ｆｌａｓｈ文件系统。 ＦＬＡＳＨ存储块管理层；文件存储管理层。还 提供文件系统的ＡＰＩ接口甬数，便于开发人员使用。
２总体设计思路分析 传统基于ｍｃｓ５１系列单片机的嵌入式设各一般都 采用ＥＥＰＲＯＭ或ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ作为其信息３硬件电路架构设计 本项目硬件电路架构如图１所示，其主要器件： ?ＳＳＴ公司的８０５１系列单片机ＳＳＴ８９Ｅ５６４ＲＤ；?三 的存储器 件。它们存在读写速度慢，容量小，价格高等缺点， 且
星公司的ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ芯片Ｋ９ＦＩＧ０８ＵＯＭ；
?芯邦
公司ＵＳＢ主控芯片ＣＢＭｌ １８０。其中矩形方框部般都不带有文件存储管理系统。本设计选用 ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯片作为信息的存储介质能够很好的 分为 如优盘大小的存储卡，比普通优盘多ｒ一个对单片机
端的接【＿１。当把存储卡连接到该嵌入式设备中时，采 解决这个问题。ＮＡＮＤＦＬＡＳＩＩ的读取和写入速度快， 复用Ｉ／０口来传输地址信息和数据信息，较ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ节省大量的管脚。另外，ＮＡＮＤＦＬ
ＡＳＨ芯片
用单片机的Ｐｏ口直接连接ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯片并行传 万方数据
输的办法存取数据，不使刖其他专用的ＵＳＢ协议接 口芯片。这时存储卡相当于一个直接挂在８０５１单片
机总线上的存储器件。而当把存储｝连接到ＰＣ机上 块数记录在配置表的相应位置ｗＺｏｎｅＸＬｏｇＢｌｋ时，存储卡内的ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ芯Ｊ｛通过ＵＳＢ土控芯 片ＣＢＭＩ １８０作协议转换后与ＰＣ机通讯。这时存储 ｋ相当于一个普通的优盘。使用时，先把１竽储卡放到 Ｍａｘ（２
宁节）。每个Ｚｏｎｅ表的最后６个好块作为替换块使 用。Ｚｏｎｅ表在Ｆｌａｓｈ中的存储地址＝ｗＣｆｇＴｂｌＡｄｄｒ＋ ｂＺｏｎｅＴｂｌＰａｇｅＯｆｆｓｅｔ＋１。Ｚｏｎｅ表样本如表２所示。 表１配置表详细定义 Ｎａｍｅ ＣＦＧ Ｓｔａｒｔ Ｆｌａｇ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ 该手持嵌入Ｊ＝Ｉ＝设备中去记录采集到的数据，采集完成 后就可直接把存储卡接到ＰＣ机上导出数据。 配置表的表头：０ｘ５Ａ５Ａ５Ａ５Ａ 除这４个Ｂｙｔｅ外所有数据的ＸＯＲ值 Ｃ＆Ｔｂｌｘｏｒｖａｌｕｅ Ｒｅｓｅｒｖｅｄ
当前配置表ＣｆｇＴｂｌ存放的地址 Ｆｌａｓｈ的每个Ｂｌｏｃｋ的物理Ｐａｇｅ数 ｗＣｆｇＴｂＩＡｄ击 ｗＰｈｙＰａｇｅｓＰｅｒＢｌｏｃｋ
图１硬件电路架构罔 ｗＰｈｙＢｌｏｃｋｓＰｅｒＣｈｉｐ 每片Ｆｌａｓｈ的物理Ｂｌｏｃｋ数 ｂＺｍｎｅＴｂｌＰａｇｅＯｆｆ，ｓｅｔ 该值加１为Ｚｏｎｅ表相列配置表的页
４ ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ存储块管理层
偏移
ｂＺｏｎｅＮｔｍｆｆ＇ｅｒＣｈｉｏ 一片Ｆｌａｓｈ可划分的Ｚｏｎｅ数 一个Ｂｌｏｃｋ的Ｓｅｃｔｏｒ总数 -25ｗＳｅｃｔｏｒＰｅｒＢｌｋ 表、ＦＤＴ表、ＦＡＴ表、ＤＡＴＡ区五个区域，其中前４ 传统的ＦＡＴｌ６文件系统包括有ＭＢＲ表、ＤＢＲ ｂＩ?ａｇｅＳｅｃＮｕｍＳｈｉｆｌＢ 慨
个ｒａｇｃ的ｓ“竺熬撬纂鸶童Ｉ毖ｉ
Ｚｏｎｅｌ 表２ Ｚｏｎｅ表样本 ｌＺｏｎｅ０ 个表是重要的系统信息区域，一旦遭到破坏整个文什 系统将会崩溃，系统通过ＦＡＴ表对存储ｌ夏动态分配 ｌＮｏ１１ 来为ＤＡＴＡ区提供了保护，但并没有提供对系统信 旧 息区域保护。本项目设计了ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ存储块管 Ｉ一理层，增加了配置表和Ｚｏｎｅ表，对所有存储块进行 ｆ３ ：
１ｗＬｏ邸ｌｋＩｎＺｏｎｅ 物理块 １０ ｌｌ １２ ｛３ ｗＬｏｇＢｌｋＩｎＺｏｎｅ 物理块 ０ ５１２ ５１３ ５１４ ５１５ ５０３ ５。４５０５
５０１
５０７：
５０２ ５０３ ５０４ ５０５
：１０１４Ｊ０１５１０１６１０１７动态管理，从而实现对整个文件系统所有区域的保 护。文件系统在格式化时会对Ｆｌａｓｈ进行扫描，同时 根据坏块信息建立记录逻辑和物理地址映射关系的
５０７ ５０８ ５０９ ５１０ Ｚｏｎｅ表，并将配置表（５１２字节）和Ｚｏｎｅ表写入ＦＩａｓｈ 相应地址。配置表和Ｚｏｎｅ表的内容为只读。 ４，１配置表的设计说明 替换块 替换块 替换块 替换块 替换块 替换块
５１Ｉ甜ｌ ５１２ 替换块 替换块 替换块 替换块 替换块 替换块
１０１８１０１９１０２０１０２１１０２２ １０２３ 配置表记录了存储卡七ＦＬＡＳＨ芯片的配置Ｚｏｎｅ０中的物理０／１／２／４块为坏块，其物理地址不出现 信 在Ｚｏｎｅ表中，６块作为替换块，Ｚｏｎｅ０的可用逻辑块
息，文件系统初始化时需从中读取Ｆｌａｓｈ相关信息及 参数。文件系统格式化时先对Ｒａｓｈ的第０块～７块进 行扫描，配置表写入到Ｆｌａｓｈ的第０块。块中第一个 数ｗＺｏｎｅ０ＬｏｇＢｌｋＭａｘ一５０２；Ｚｏｎｅｌ中无坏块，６块 为替换块，可用逻辑块数ｗＺｏｎｅｌＬｏｇＢｌｋｌⅥａｘ＝５０６。 好块，长度为５１２字节，表头四字节为０ｘ５Ａ５Ａ５Ａ５Ａ。 配置表（ＣｎＴｂ０内部结构详细定义如表１所示。
４
３逻辑地址到物理地址的转换 文件存储管理层访问ｆｌａｓｈ物理层时都要通过存
４ ２ Ｚｏｎｅ表设计说明 储块管理层进行逻辑地址到物理地址的转换。输入参 数是ｄｗＬｂＡ（逻辑地址）和ｗＬＢＡｌｃｎ（：逻辑扇区长度）， 根据Ｚｏｎｅ表和Ｆｌａｓｈ相关参数计算…相应的物理Ｚｏｎｅ表是记录逻辑地址和物理地址映射关系的。 文件系统在格式化时会对Ｆｌａｓｈ进行扫描，同时根据 坏块信息建立记录逻辑和物理地址映射关系的Ｚｏｎｅ 地 表。每５１２个物理块对应一个Ｚｏｎｅ表（长度为ｌｋＢ）， 址，即ｄｗＲｏｗＡｄｄｒ（物理页地址）和ｗＣｏｌＡｄｄｒ（物理表中每一项用２字节表示逻辑块对应的物理块块号， 列 坏块的物理块号不出现，每个Ｚｏｎｅ表中可用的逻辑 地址）。ｄｗＲｏｗＡｄｄｒ和ｗＣｏｌＡｄｄｒ才是ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ
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