采用DSP的System ACE對CF卡進行數據存儲管理

目前，對圖像處理系統(tǒng)的速度和精度要求越來越高，采樣的數據量也越來越大。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存一般都不大。為了能夠實現DSP（Digital Signal Processing）系統(tǒng)的獨立運行，需要大容量的存儲介質用于保存采樣結果。但是板載的Flash等容量通常不大，SDRAM掉電后數據會丟失，并且它們無法方便地把數據轉移到計算機主機上。閃存技術的不斷發(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)點而在嵌入式存儲領域得到越來越廣泛的應用。因此，本文介紹一種使用CF卡作為數據存儲介質存儲大量數據的方法。FAT16文件系統(tǒng)具有出色的文件管理性能，能被大多數操作系統(tǒng)識別，因此將CF卡與FAT16文件系統(tǒng)相結合是嵌入式存儲、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、預置、高密度配置需求的解決方案。System ACE技術是一種突破性的系統(tǒng)內可配置的解決方案，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)技術和專注于存儲的產業(yè)結合在一起，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、任意標準的CF卡、高達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CF卡設備的狀態(tài)，而且還處理所有的CF設備的訪問總線周期及提煉和執(zhí)行CF命令（如軟復位、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卡的數據緩沖。

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讀寫數據的功能。

◆MPU接口能夠識別CF卡并對CF卡進行讀寫。

◆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位設備等。

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是在目錄結構的最底層。Xilinx的SystemACE軟件能夠將比特流轉換為．ACE文件。1個．ACE文件代表特定設備鏈的比特流。

．collection是目錄結構中緊挨著．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文件來充當此角色。

System ACE目錄結構的分層設計使得它能夠維護多個版本或者是不同設計的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目錄結構的規(guī)則如下：

◆Sysrem ACE配置文件必須放在CF卡設備的第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xilinx．sys不存在時，根目錄下必須有1個．ACE來充當此角色。

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，得到廣泛的應用。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緩沖區(qū)進行的，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標準兼容。TRUE IDE模式與ATA／ATAPI-4標準兼容。當上電時，如果OE接地，則進入True IDE模式，在此模式下只可以存取任務寄存器。另外2種模式需要通過設備結構寄存器來選擇。

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），它們之間的關系為：

LBA=（柱面號×磁頭數+磁頭號）×扇區(qū)數+扇區(qū)數-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個數在文件系統(tǒng)中是如何存放的呢？在計算機中是以0／1二進制的形式簡單地存放在存儲介質中。如果不同的數多，如何處理？這就引出了文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)實際上就是對存儲的數據進行管理。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，目前仍然廣泛應用于個人電腦尤其是移動存儲設備中。

硬盤上的數據按照其不同的特點和作用大致可分為5部分：MBR（Main Boot Record，主引導扇）區(qū)，DBR（DosBoot Record，操作系統(tǒng)引導記錄）區(qū)，FAT（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到mbr中的第1條指令，將系統(tǒng)的控制權交由mbr來執(zhí)行。在總共512字節(jié)的主引導記錄中，MBR的引導程序占了其中的前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)有效結束標志。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，具有公共引導的特性。

DBR（Dos Boot Record，操作系統(tǒng)引導記錄）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，其實又是由跳轉指令、廠商標志和操作系統(tǒng)版本號、BPB（BIOS Parameter Block）、擴展BPB、os引導程序、結束標志幾部分組成。

FAT表是用FAT16來記錄磁盤數據區(qū)簇鏈結構的。如前面的例子，FAT將磁盤空間按一定數目的扇區(qū)為單位進行劃分，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）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)為單位進行磁盤的分配，是因為當分區(qū)容量較大時，采用大小為512位的扇區(qū)管理會增加FAT表的項數，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DIR中的起始單元，結合FAT表就可以知道文件在硬盤中的具體位置和大小了。

數據區(qū)是真正意義上的數據存儲的地方，位于DIR區(qū)之后，占據硬盤上的大部分數據空間。

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表制定的簇鏈式數據結構來進行。同時，FAT文件系統(tǒng)將組織數據時使用的目錄也抽象為文件，以簡化對數據的管理。格式化FAT16分區(qū)時，格式化程序根據分區(qū)的大小確定簇的大小，然后根據保留扇區(qū)的數目、根目錄的扇區(qū)數目、數據區(qū)可分的簇數與FAT表本身所占空間來確定FAT表所需的扇區(qū)數目，之后將計算結果寫入DBR的相關位置。FAT16 DBR參數的偏移0x11處記錄了根目錄所占扇區(qū)的數目。偏移0x16記錄了FAT表所占扇區(qū)的數據。偏移0x10記錄了FAT表的副本數目。系統(tǒng)在得到這幾項參數以后，就可以確定數據區(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)開始以簇為單位進行數據的處理，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，也就是說數據區(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制位數。以FAT16為例，每一簇在FAT表中占據2字節(jié)（二進制16位）。所以，FAT16最大可以表示的簇號為0xFFFF（十進制的65535），以32 KB為簇的大小的話，FAT32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表實際上是1個數據表，以2字節(jié)為單位，我們暫將這個單位稱為FAT記錄項，通常情況其第1、2個記錄項（前4個字節(jié)）用作介質描述。從第3個記錄項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來實現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卡數據的軟件流程。首先，DSP通過MPU端口訪問CF卡前必須獲得CF卡鎖，否則進入等待直到CF卡處于空閑狀態(tài)或者強制獲得CF卡鎖。其次，CF卡數據的讀寫是以扇區(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算來設置LBA、sector變量以及buffer變量。最后，對buffer進行讀寫，讀寫結束后釋放CF卡鎖。

4.3 程序設計

可以通過以下函數來實現DSP對CF卡的讀寫。

◆獲得CF卡鎖：Uint32 get_CF_lock（void）；

◆檢測CF卡當前狀態(tài)：Uint32 check_CF_ready （void）；

◆檢測buffer是否準備就緒：Uint32 wait_buffer_ready（void）；

◆讀CF卡數據：Uint32 read_data_from_CF（Uint8*p_data，Uint32 LBA，Uint16 Sector Count）；

◆向CF卡寫數據：Uint32 write_data_to_CF（Uint8*p_data，Uint32 LBA，Uint16 Sector_Count）；

◆復位：void reset（void）。

結 語

本文實現了DSP通過System ACE對CF卡進行數據存儲管理，充分利用了SystemACE技術的系統(tǒng)內配置方案，突破了傳統(tǒng)的多FPGA應用環(huán)境。

CF卡作為存儲介質具有容量大、接口簡單、體積小、價格低廉和可靠性較高等特點，結合FAT16文件系統(tǒng)，可以很方便地存儲和回放數據。