引言

　　信息技术（Information Technology，简称IT），是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。它也常被称为信息和通信技术（Information and Communications Technology, ICT）。主要包括传感技术、计算机技术和通信技术。信息技术的研究包括科学，技术，工程以及管理等学科，这些学科在信息的管理，传递和处理中的应用，相关的软件和设备及其相互作用。

　　随着信息技术的发展，嵌入式系统简单地对存储介质按地址、字节进行读写的方式已经不能满足实际应用的需求，利用文件系统对存储介质进行管理成为嵌入式系统的一个发展方向。嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统，对功能、对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。本文中基于MC9S12UF32单片机，结合开源文件系统FatFS，设计实现了使用FAT文件系统的大容量数据存储模块。

　　1 系统结构

　　数据存储系统框架如图1所示。该数据存储模块以Freescale公司的MC9S12UF32为，串行通信接口SCI接收到的数据可以直接通过单片机以FAT文件的形式存储在micro SD卡中。用户程序可以通过编程控制单片机，直接对micro SD卡中的任意文件进行读写，实现存储数据。由于实现了FAT文件系统，用户也可以通过单片机内置的USB接口将本数据模块识别为U盘，用PC机进行读写操作。PC （personal computer），个人计算机一词源自于1978年IBM的部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。今天，个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。

　　2 硬件结构及底层函数的编写

　　本文所介绍的数据存储插件由MC9S12UF32、DSl2887实时钟模块、micro SD卡、串行通信接口以及USB接口5部分组成。实时时钟，可以为数据存储模块的文件系统提供正确的时间戳信息，在精简的系统设计中，这个部分则可以省略。

　　2.1 MC9S12UF32单片机

　　Freescale公司生产的这款16位单片机具有3.5 KBRAM和32 KB Flash EEPROM。它的特点在于拥有USB2.O接口、ATA5接口以及SD／MMC、SmartMedia、MemoryStick等多种存储卡接口。

　　（1）SDHC模块

　　SDHC是"Secure Digital High Capacity“的缩写，即“高容量SD存储卡”。2006年5月SD协会发布了SD 2.0的系统规范，并在其中规定SDHC是符合该规范、容量大于2GB小于等于32GB的SD卡。SDHC的特点就是高容量（2GB-32GB）。另外，SD协会规定SDHC必须采用FAT32 文件系统，这是因为之前在SD卡中使用的FAT16文件系统所支持的容量为2GB，并不能满足SDHC的要求。作为SD卡的继任者，SDHC主要特征在于文件格式从以前的FAT12、FAT16提升到了FAT32，而且支持32GB。同时传输速度被重新定义为Class2、Class4、Class6等级别，高速的SD卡可以支持高分辨视频录制的实时存储。

　　SDl.O规范协议中定义了对SD卡的两种访问模式：SD模式和SPI模式。使用SDHC（Secured Digital cardHost Controller）模块对SD卡读写采用了SD模式。SD卡与SDHC的连接如图2所示。

　　MC9S12UF32内部集成的SDHC模块支持SD卡1.O版本的物理层协议，所以本系统使用标准microSD卡（而非SDHC卡），其存储容量为2 GB。这样的存储容量已经完全可以满足大多数嵌入式应用的需求。

　　（2）MC9S12UF32与SD卡之间的数据传输

　　在完成对时钟频率和传输数据线宽度的配置之后，通过发送相应的读写命令就可以实现单片机与SD卡之间的数据传输了。在单片机向SD卡写入数据的过程中，编程者将需要写入的数据写入SDHC模块的SDATA寄存器（16位）之后，该数据将被转移至发送数据FIFO中。与此同时，只要发送数据FIFO非空，其中的数据就会不断地通过数据线被写入SD卡的相应位置。在单片机从SD卡中读取数据的过程中，SD卡中的数据将不断发送至接收数据FIFO中。

　　2.2 DSl2887实时钟模块

　　DSl2887模块使用数据／地址复用的并行异步总线，可以为单片机提供100年以内的实时钟信息（年／月／日／时／分／秒）。它内部具有石英晶振和锂电源，首次使用时，需要对该模块内部的寄存器进行相应配置，激活晶振使其进入工作状态。

　　设定DSl2887的时间和从DSl2887中读取时间信息的底层程序比较简单，只需参照芯片手册对寄存器进行合理配置。但是，需要特别注意的是，在写时钟和读取时钟之前需要锁存时钟信息相关的buffer，防止在读写过程中由于出现时钟信息自动更新情况而导致的错误。系统中，在每次读写实时钟之前，查询DSl2887内部控制寄存器A位UIP是否为O，以避免上述错误的产生。因为芯片手册中给出，一旦UIP=O，那么在244μs内实时钟模块都不会自动更新当前的时钟信息，而这段时间足以让单片机完成读写实时钟的过程。

　　3 FatFS文件系统的移植与配置

　　3.1 FatFS软件包简介

　　采用文件系统，是为了在单片机能够对SD卡进行数据读写的同时，保证其读写的数据能够被大多数通用设备识别。换言之，数据在存储器内的组织型式，需要遵循一些已有的工业标准和规范。

　　当前着名的嵌入式文件系统有若干种选择，这之中EFSL和FatFs都是开放源码的，具有十分详尽的文档和函数手册，除错更新也十分及时，在本文的设计中我们采用的是FatFS。

　　FatFS采用使用ANSI C编写，具有很好的硬件平台独立性，使用者只需要对源程序进行简单的修改和配置，就可以将其移植到各种系列的单片机上。此外，它的内存开销很小，ROM的占有量在十几KB的量级，使用者可以根据不同的应用方便的对代码进行裁减。FatFS支持FATl2、FATl6和FAT32，可以建立独立的缓冲区对多个文件进行读写。FatFs是一个通用的文件系统模块，用于在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统。 FatFs 的编写遵循ANSI C，因此不依赖于硬件平台。它可以嵌入到便宜的微控制器中，如 8051, PIC, AVR, SH, Z80, H8, ARM 等等，不需要做任何修改。

　　3.2 FatFS的移植

　　可从FatFS的主页上得到FatFS R0.07版本。FatFS的主程序包含5个文件，即diskio.c、diskio.h、ff.c、ff.h和integer.h。其中，diskio.c和diskio.h是与底层硬件I／O相关的函数；ff.c和ff.h是应用函数，主要涉及FatFS的配置和裁减。

　　移植FatFS的过程中基本不需要对diskio.h和ff.c进行修改。除了核实integer.h中的数据类型定义是否与MC9S12U32数据类型相符之外，移植的重点工作在于diskio.c中6个主要函数的实现和ff.h中对于文件系统的裁减配置。dikio.c包含的6个接口函数：disk_initial-ize，disk status，disk ioctl，disk read，disk write和disk_fattime。

　　具体移植过程如下：

　　（1）存储媒介初始化函数

　　DSTATUS disk_initialize（BYTE drv）

　　由于采用的存储媒介是SD卡，所以该函数的实际功能是对SD卡进行初始化。drv是存储介质号码，由于Tiny-FatFS只支持一个存储介质，所以此处drv始终取O值。执行无误，则返回值=O；执行中出现错误，则返回非O值。

　　（2）状态检测函数

　　DSTATUS disk_status（BYTE drv）

　　该函数用于检测是否支持当前的存储介质。此处的drv仍然恒为O。对Tiny-FatFS而言，只要drv为O，就认为支持当前介质，函数直接返回O值即可。

　　（3）读扇区函数

　　DRESULT disk read（BYTE drv，BYTE*buff，DWORD seetor，BYTE.count）

　　该函数是在“单片机从SD卡读取一个扇区”的函数基础上编写而成的，其功能是从SD卡读取一个或多个扇区的数据。*buff用于存储已经读取的数据，sector是待读取扇区的起始扇区数，count是需要读取的扇区数。如果执行无误则返回O值，否则返回非O值。

　　（4）写扇区函数

　　DRESULT disk_write（BYTE drv，const BYTE*buff。DWORD sector，BYTE count）

　　与disk_read相似，该函数是在“单片机向SD卡写入一个扇区”的函数基础上编写而成的，其功能是向SD卡导入一个或多个扇区的数据。*buff用于保存将要写入的数据，sector是待写入扇区的起始扇区数，count是需要写入的扇区数。如果执行无误，则返回0值；否则，返回非0值。

　　（5）存储介质控制函数

　　DRESULT disk_ioctl（BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff）

　　ctrl是控制代码，*buff用于保存或接收需要控制的数据数据。使用者可以在此函数里添加自己需要的功能代码，例如获得存储介质的容量、扇区数等。如果是简单的应用，也可以不执行任何功能，直接返回0值。

　　（6）实时钟函数

　　DWORD disk_fattime（Void）

　　该函数将读取的实时钟信息保存在一个32位无符号整数中，并将其作为函数的返回值。时钟信息在这32位中的具体分布如表1所列。

　　3.3 FatFS的裁减与配置Tiny-FatFS

　　FatFs提供了丰富的库函数，可以实现创建、读取文件夹，创建、读写文件，移动文件指针，向文件中写入或读取字符串，甚至是类似与C语言fprintf（）的格式化输入等各种功能。FatFS提供的函数与宏的对应关系如图3所示。

　　FatFS的裁减，不仅仅是函数层面的。更重要的是，在内部机制上形成一个精简版本，称为Tiny-FatFS。它与标准版FatFS相比，主要的区别在于Tiny-FatFS仅支持一个物理存储介质，而且不再针对每个开启的文件建立512字节的缓存，整个文件系统和物理介质使用同一个缓存。显然，Tiny-FatFs需要的内存开销比标准版FatFS更低，只要1 KB左右的RAM。

　　在表2中，对ff.h中主要配置宏的含义进行了说明，同时给出了本文所介绍的数据存储模块采用的取值。

　　4 FatFS文件系统的使用

　　FatFS文件系统中涉及2个基本的数据结构：文件系统（磁盘）的数据结构FATFS和文件的数据结构FIL。这两个结构是FatFS软件主要的RAM开销，FATFS数据结构中有针对磁盘的512字节读写缓存，FIL则有针对每个文件的缓存。

　　依次使用f_mount、f_open、f_rcad／f_write、f_close可以完成基本的读写。FatFS允许对同一文件同时复数读取，但完全不支持对同一文件同时复数的写入操作，因为这会引起文件系统错误。具体每一个函数，特别是字符串读写、格式化读写等，可以参见原始帮助和例程。

　　此外，由于嵌入式系统具有突然掉电的可能性，一些关键代码段可能导致文件系统错误，所以要注意调用f_sync（）及时写入。当然，如果是一组连续的f_write（）写入，而每次写完都f_sync（），则会极大地影响速度，可以全部写完后f_sync（）。

　　V0.07以后版本的FatFS，增加了以下新的功能：

　　①_FS_TINY。Tiny模式变成了一个宏选项，而不是独立的代码包。

　　②_FS_RPATH。决定是否有当前路径的概念，这将影响两个相关函数的参数。

　　③_USE_LFN。启用长文件名支持，可为1或2，为2时可重入。由于长文件名存在堆栈上，而且启用LFN会依据代码页增加一个很大的转换表，占掉几十～几百KB，所以不推荐。

　　④_LFN_UNICODE。长文件名使用Unicode，实验阶段，尚未正式写入文档。

　　结语

　　MC9S12UF32单片机内部集成的SDHC模块，可将SD总线转换为单片机内部的IP总线，开发者只需要对SD协议的基本内容有所了解，通过读写相应的寄存器就可以方便地实现对SD卡的底层读写，大大简化了硬件的开发过程。同时，独立于硬件平台的FatFS软件包可以方便地移植到各种嵌入式系统中，研发者只需要对该软件包的diskio.c和ff.h进行修改，即可完成移植，从而使用FatFS提供的丰富且易于使用的各种接口函数。

　　应用上述主要技术实现的具有嵌入式文件系统的数据模块如图4所示。

　　该模块体积小巧、存储数据的灵活性和通用性很高，可以通过模块自带的串行通信接口接收数据，并以文件的形式存储起来。用户既可以直接通过USB接口将本模块识别为U盘进行数据读写和分析，也可以将micro SD卡拔出，在任意一个具有micro SD读卡器功能的设备上读写数据。