（机械电子工程专业论文）嵌入式数据终端平台的研制.pdf

南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 ab s t i a t t wi ththe i n c re a 吕 in g ofavailabili tyofe m bed d e d sy 引 比 mb al d w ar e and the lo w e n ngof itsprice ， 助 d the exp 助d i ngofa p p l i c ation爪ld ， the i m po比 an c e ofe m 卜 刃 d e d 川 e sy s t e mis becom ing 幻 口 o r . 幼d m 瞬 51 娜ficant. e m卜 刃 d edsys t e m s 眼 璐朋】 lydi 泪ess s y s t e ms. ino rdertok e e p 伴n ” a n e ntd ata 玩 the s y s t e m s ， i t i s a 衍翻y ad即t eds t r a t e gytouse fl as h m e m o ry . the re fo reh o wtobui l d a n as h fi lesys t . 肚 ine m 比d d 目sy s t e mis t h e fo cus o f 而s l h e sis. t b e e m 卜 记 d e dd e v e 1 0 p m e n t p l a t fo n nofd a taten 刀 1 朋】 isan e wi n t e l l i g e n t m e t er 邝 a d i ngp l at fo n n w h l chi s 山s i gne d forj i ang s u e l e fi rst毛 沁 hoo l o gyc 0 m p any， b as edonthe p u 耳 幻 setoso l ves ome d i s a d v ant a g e s o f the exi st i n g m eter 比 ad i n g s y st e m . t h e p l at fo rm i s b 别 犯 d onl p c 2 2 9 2 而c r o p r o ce s s o r and 林 c /o5 一 i l o perati n g s y s te m . i t ai s o incl u d e s so me mod u 】 e s s u c h asm e m o 叮功 记u l es ， c o n u 刀 切 旧 c at i o n m odul esand soon. 0 1 1 此 b asisofthe d e m 明dana l y s i so f t 加 p r odu c ts明dthe 化 哭 a 代 ho ffi l es y s t e m ， com b i ned俪thth e c h ar a c te ri stic o f t h e d e s i gnofe m bed d e d fi as hfi l e s y s l e m ， anemb e d d edn a n df l as h 6 l e sys te m b as e do nf 肖 1 ， 5 往 ” c t u 茂 is b ul ito nthe pl at fo n ” ，at t h es aj . eti me 俪 conun unic at io n betwe enp e r s 。 耐 c o m p u t e r and the t e n n i 耐 p l at fo rm t ll r o u g h u 垃 vers ai s e ri a 】 b usisc o m p l e l ed. f iles can b e 坛 知 s fe iy e d b e 卜 形 ee n t h e t w o . n即u ghthe d e b u g g l n g and te s t i n g o f the s y s t e mit isp ro v edt h a t the s y s t e mr e a c h es the 丘 m c t i o n and performan叱dem a n d ase x pe c t e d ， 朋d ac hi e ves the antic i p a te d l ar g eto f t he 化se歇c h . k 母 ，。 川鱿“ 0( ) 5 一 i i f i l e s y s t e m n a n df l as h u s bc o n u n uni c at i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 且 鳞 婆 一尹7 年7 月少 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内 容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。 对 于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 勿 娜琴尹7 年7 月歹 日 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 1绪论 l l课题背景 l l i嵌入式系统的概念和特点 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、 集成电路 技术的发展而发展起来的，己成为计算机技术和计算机应用领域的一个重要组成部 分。 目前， 对嵌入式系统的定义多种多样， 但没有一种定义是全面的。 下面给出两种 比 较合理的定义111 121 : ( 1)从技术的角 度定义: 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。 (2 ) 从系统的 角度定义: 嵌入式系统是 设计完 成复杂功能的 硬件和软件， 并使其 紧密祸合在一起的计算机系统.“ 嵌入式”术语反映了这些系统通常是更大系统中的 一个完整的部分，称为嵌入的系统.嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。 嵌 入式计算机系统同 通用型计算 机系统 相比 具有以下 特点i3j i41 : 0 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c pu 与通用c p u的最大不同就 是嵌入式c p u大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部， 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化， 移动能力大大增强， 跟网络的祸合也越来越 紧密。 (2 ) 嵌入式系统是将先进的 计算机技术、 半导体技术和电 子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。 这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、 高度分 散、不断创新的知识集成系统。 (3 ) 嵌入式系统的 硬件和软件都必须高 效率地设计， 量体裁衣、 去除冗余. 力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在处理器的具体应用中更具有竞争 力。 (4 ) 为了 提高执行速度和系统可靠 性， 嵌 入式系统中的软件一般都固 化在存储器 芯片中， 而且许多应用中要求系统软件具有实时处理能力。 (5) 嵌入式系统和具体应用有机地结合 在一起， 它的 升级换代也是 和具 体产品同 步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 (6 ) 嵌入式系统本身不具备自 开发能力， 即 使设计完成以 后用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 l l z嵌入式系统应用技术的发展及嵌入式文件系统的 应用前景 现在， 嵌入式系统应用技术己渗透到人类生活的各个领域， 同时对工业自 动化领 域中的 计算机控制技术也产生了巨大的影响。 日 常生活的每一个角落， 任何一个普通 人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到 mp 3 、mp 4 、p d a 等微型数字化产品， 大到网络家电、智能家电、 车载电子设备等。在工业和服务领域 中， 使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、 工业机器人、 服务机器人正在逐渐改变 着传统的工业生产和服务方式。目 前， 各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上 已 经远 远超过了 通用计算机isj 。 随着嵌入式系统应用要求的不断提高， 系统资源的进一步丰富， 系统的复杂程度 也不断提高。 文件系统在嵌入式操作系统中占 据着越来越重要的位置， 因为像数据采 集、多媒体应用等这样一类涉及大量数据的存储、 加工、 转换等，需要文件系统的支 持。 文件系统的使用，使开发者获得了“ 路径”的概念，从而回避了存储介质的地址 空间， 不用每次都从头对物理介质进行操作。 文件系统提供与底层物理存储介质无关 的、 清晰明了的a p i 函数， 使上层应用不再关心底层存储介质， 而方便地利用标准接 口 访问底层存储器。接口的标准化，使程序的层次分明，增加了程序的可移植性。 因此， 在嵌入式系统中加载文件系统是嵌入式系统发展的必然结果， 具有良 好的 实 用 价 值 和 应 用 前 景 161 171 。 l z课题的研究意义 l z. l理论意义 嵌入式系统凭借其特有的功能和资源占用量少的特点， 在各个领域得到了越来越 多的应用。 根据成本和设计的需要， 一般的嵌入式系统都配置很少的外部存储空间甚 至不带外部磁盘。 但随着用户需求和功能复杂度的增加， 越来越多的嵌入式系统需要 处理大容量的数据， 或者在运行过程中会产生大量的临时数据。 其系统复杂性的日 益 增高和系统存储容量的迅速增加， 对于数据操作的灵活性提出越来越高的要求， 如何 系统地、 灵活地管理数 据文 件就成为嵌入式系统开发者无法回 避的问 题171 s 。有了 文 件系统后， 每次新的应用开发时， 上层的应用设计就不再关心底层具体设备， 从而可 以更方便地利用标准接口 访问存储器， 因此在嵌入式系统中使用文件系统可以使系统 管 理 更 容 易 、 更 方 便 嵌 入 式 的 开 发 和 移 植 191110. 综上所述，对于嵌入式文件系统的设计与研究具有很强的科学意义与研究价值. 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 l 2. 2应用价值 江苏光一科技有限公司多年从事电力行业集中抄表技术研发工作， 该公司的主要 产品为配变电实时监测系统、电力负荷管理系统及集中抄表系统。目前， 该公司推出 的efc 一 2 000 集中抄表系统，能满足机械表、电子表、复费率电表等多种居民用户电 能 表 的 远 程 集 中 抄 收 ， 其 用 户 遍及 全国 各 地， 具 有30万以 上 用 户 tll lll 21 。 一个完整的电费计量系统由电能量的自动采集与处理系统、 电能数据计费结算系 统两部分组成。 要完成任务可以分为以下几个步骤:电能数据采样 ( 脉冲计数)，电 能积分，电能统计，电费结算，电能报表。 配电监测终端是监测电网运行状况的一种重要设备， 主要完成以下功能: 对电压、 电流信号进行采样， 户 以 d 转换; 对所采集到的数据进行计算分析，得出各种监测指标 参数; 对所有指标参数进行统计分析， 处理液晶显示和键盘扫描， 响应按键命令， 进 行数据通信处理。 本课题研究的嵌入式数据终端平台是为该公司提供的一产品原型， 公司将对其进 行二次开发， 开发出适应实际工作环境的智能抄表集中器及手抄机等相关产品。 因该 平台涉及大量数据的采集、存储等，需要文件系统的支持，进行相应的管理。因此， 在其中构建文件系统是具有现实意义的。 1 3论文的主要内容及章节安排 本课题研究的嵌入式数据终端平台采用了a r m7 t d mi 核，外加各存储模块、 通 信模块、 人机接口 模块等，并移植了四/o5 一 n 操作系统，本课题的主要任务为在该 平台基础上构建一嵌入式文件系统， 满足其对大量数据采集、 存储的需要， 同时， 建 立该平台与p c机间的u s b通信，使其间可进行所需的文件传输服务。 论文主要章节安排如下: 第一章 绪论 第二章 系统总体设计 第三章 文件系统 第四章 嵌入式文件系统的构建 第五章 u s b通信的实现 第六章 系统调试与运行 第七章 总结 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 2系统总体设计 2. 1系统需求分析 2. 1.1 嵌入式数据终端平台 简介 本课题研究的嵌入式数据终端平台选择使用了 l p c 2292 处理器作为嵌入式硬件 平台 ， 并移植了四/o5 一 11 操作系 统， 来实现整个平台的功能， 平台 总 体框架如图2 . 1 . 1 . 1 所示。 图1 1 . 1 . 1嵌入式数据终端平台总体框架 嵌入式数据终端平台的主要特性: ( 1)具备两个 rs一 2 32 串 行通 信接口 ， 一 个用于对各种计量表的 数 据采集， 另一 个实现与p c机的数据传输; (2 ) 使用外扩fl as h 进行程序及数据的存储; (3 ) 外扩p wm接口，实现采集系统的实时报警功能; (4 ) 多任务处理功能， 提高系统的实时响应: (5 ) 预留足够的gpi o口，方便以 后系统升级和功能扩展; ( 6)具有良 好的人机接口等。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 2. l 2嵌入式数据终端平台功能需求 2. l 2. 1嵌入式文件系统的需求 pc 机上应用的文件系统很多，如d o s下的f a t文件系统、枯ndo ws n t下的 n t f s文件系统及u n i x文件系统等，这些文件系统都很成熟，但不适合直接应用到 嵌 入 式 系 统 中 ， 主 要 问 题 在 于 113 一 1伙 (l ) 它们都是为资源丰富的 通用p c 平台设计的，不适用于资 源有限的嵌入式系 统. (2 ) 这些通用内存文件系统的设计方法一般是利用内存来模拟磁盘文件系统， 在 内存中会建立文件系统缓冲区。 这就是说除了文件系统本身占据了内存之外， 磁盘缓 冲区又会占据一些内存，这样就会导致内存的浪费和利用率的下降。 (3) 嵌入式 系统的 作业环境远比 p c 机恶劣， 电 源电 压的 不稳定以 及突发性断电 将 对f 】 as h 的数据存储造成灾难性的影响，通用文件系统对于可靠性的设计考虑不足。 (4) 如果嵌入式系统中 存储于 fl as h 上的内容是允许有一定程度误码损伤的数据 ( 如某些多媒体数据)，则不需要像通用文件系统那样严格保证存储的正确性。 通过 灵活的校验机制与坏损管理， 达到更优化的存储速度与更高效的存储空间利用， 这对 成本敏感的嵌入式系统来说尤其重要。 本课题研究的嵌入式数据终端平台是为江苏光一科技有限公司设计的一个可进 行嵌入式数据终端相关产品二次开发的平台，二次开发后的产品将用于集中抄表系 统，其基本功能有: ( 1)采集并 记 录数据功能:必须能 够长年累月、 准确无误的纪录数据. (2 ) 数据管理功能:能随时读出、更改、 删除数据。 基于以上数据记录的要求，可在该嵌入式平台上使用非易失性存储器 ( 如 f l as h 芯片) ，同时，由 于需对大量的数据进行管理，若由 应用程序直接组织数据变得不太 合理，故宜采用文件的形式来组织数据。因此构建一嵌入式文件系统是其必然。 2.l 2. 2 u s b通信的需求 u s b( 通用串行总线)是一种应用在p c领域的新型接口 技术。自从1995年p c 机带有u s b接口，19 98 年u s b接口 逐步走进大规模实用阶段。 u s b并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线。这意味着你的机箱后盖 上的u s b端口可以 连接许多设备，这些设备可以相互连接在一起。而且不同类型的 设备组成可以通过一种称为u s b集线器的硬件分离开来。这些都是与传统的串口上 只能连接一个设备有着本质区别的。正如前面提到的一样，u s b用来把串口、并口 等不同的接口统一起来， 使用一个4 针插头作为标准插头。 通过这个标准插头， 采用 ， 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 菊花链形式( 星型结构) 可以把所有的外设连接起来， 并且不会损失带宽。 也就是说， u s b将取代当前p c上的串口和并口。 这几年，随着大量支持u s b的个人电脑的普及，u s b成为p c机的标准接口己 经是大势所趋，与此同时，有些p c机开始没有r s 一 232串口，因此，所研究嵌入式 数据终端平台不能仅通过r s 232 通信，必须添加u s b通信。 2. 2系统总体设计目 标 2. 2. i f l a 比存储器比较 fl as h存储器又称闪存，是一种可多次擦除的非易失性存储器，掉电后数据不丢 失， 是嵌入式系统首选的存储设备。 它主要分为两种类型: 一种为n o r型fl as h ， 另 一种为n a n d型fl as h 。 两 种f l as h 的主要区 别如下 1 1 飞 ( 1 ) 接口 差别 n o rfl as h 带有s r a m接口，有足够的 地址引 脚来寻址，可以很容易地存取其 内部的每一个字节。 n a n d器件使用复杂的阳 口 来串行的 存取数据， 各个产品或厂商的方法可能各 不相同。一般使用8 个引脚来传送控制、地址和数据信息。 (2 ) 读写的基本单位 n o r型fl as h 操作是以“ 字” 或“ 字节” 为基本单位; n a n dfl as h 是以“ 页” 为单位进行操作，页的大小一般为5 12字节。 (3 ) 容量与成本 n a n dfl as h的单元尺寸几乎是 n o r器件的一半，由于生产过程更为简单， n a n d结构可以 在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 n o rfl as h占据了容量为1 一16mb闪存市场的大部分，而n a n df 】 ash 只是用 在8 一128 mb的产品当中， 这也说明n o r主要应用在代码存储介质中， n a n d适合 于大量数据存储。 (4) 软件支持 在n o r器件上运行代码不需要任何的软件支持， 在n a n d器件上进行同样操作 时， 通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序 ( m t d ) ， n a n d和n o r器件在 进行写 入和擦除操作时都需要m t d . ( 5 ) 性能l 匕 较 在n a n d闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次， 而n o r的擦写次数是十万 次。 6 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 n o r型fl as h 的地址线和数据线是分开的， 传输效率很高。 其读速度要比n a n d 型稍快一些。 因为n a n dfl as h 操作是以 “ 页” 为单位，所以n a n dfl as h 大量数据写入时速度 比n o r型快得多。 n a n dfl ash 擦除速度远比n o r型快。 在本课题所研究的 数据终端平台中， 外 扩了z m b yte 的n o r fl as h 和16 m b yte 的 n a n df l ash ， 鉴于两种fl as h 各自的特性， 将n o rflash 用作代码存储， n a n dfl as h 用作存储采集数据， 故嵌入式文件系统建于n a n df 】 as h 。 2 工2系统总体框架 图2. 2. 2 . 1 系统总体框架 系 统总体框架如图 2. 2. 2 . 1 ， 首先在操作系统林 c los 一 11 下构建一基于 n a n dfl as h 的文件系统，然后通过u s b 总线实现p c 机与终端设备之间的通信，主要为将p c 机中 的文件下传到终端设备的fl as h 存储器中和将终端设备fl as h 存储器中的文件上传到p c 机中，实现其间的文件传输。 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 3文件系统 文件系统是操作系统的重要组成部分， 用于控制对数据、 文件及设备的存取。 它 提供对文件和目 录的分层组织形式、数据缓冲以及对文件存取权限的控制。 文件系统必须提供必要的用来创建文件、 删除文件、 读文件和写文件等相应的系 统调用。文件的存放通过目录完成，所以对目 录的操作是文件系统功能的一部分。 从系统的角 度出 发， 文件系统 应具有以 下 功能 11 叭 ( 1)提供对文件和目 录的分层组织形式; (2 ) 建立与删除文件的能力; (3 ) 文件的动态增长与数据的保护。 从用户的角度来看，文件系统的功能有: ( 1)文件的按名存取; ( 2) 文件的共享和保护; (3 ) 文件的操作和使用。 硬盘的出现， 推动了文件系统 ( 针对桌面操作系统)的发展，同样，嵌入式存储 设备特别是flash 的出现，也推动了嵌入式文件系统的发展。 3. i wi ndows 文件系统 因fl as h 存储器将格式化为f a t 文件系统，故将详细介绍。 3. l i f a t文件系统 f a 协1 ， 明是fi le allocationt able( 文件分配表)的缩写，它用来跟踪硬盘上每个 文件的数据库，而f a t 表存储关于簇的信息。 f a t 表是mi crosoft 在f a t 文件系统中用 于磁盘数据 ( 文件) 索引和定位引进的一种链式结构。 在f a t 文件系统中，文件的存 储依照f a t 表制定的簇链式数据结构来进行。同时， f a t 文件系统将组织数据时使用 的目 录也抽象为文件，以简化对数据的管理。 f a t 分区格式是mi cro so ft 最早支持的分 区 格式， 依据f a t 表中 每个簇链的所占 位数分为f a t 1 2 ， f a t16 ， f a t32 三种形式， 但其基本存储方式是相似的。 一个f a i ， ( f a r l z 邝 肖 1 、 1 6 /i 诵 lt 3 2 )文件系统 卷由四 个部分组成t23 】 : ( 1)保留区 ( reserv edregi on) e a r 分区的保留区中的第一个扇区必须是b p b( bio s p ar alne te r b10 ck) ， 此扇区 有时也称作“ 引导扇区 ” 、 “ 保留扇区” 、或是“ 零扇区 ” ，因为它含有对文件系统进行识 别的关键信息，因此十分重要。表3 . 1 . 1 . 1 是此扇区的结构。 8 南京理工大学硕士学位论文嵌入式致据终端平台的研制 表3 . 1 . 1 . i f 八 1 写! 导扇区和b p b结构 名称 偏 移 且/ 字 节 长 度j 字 节 说明 b sjm p b 0 0 t 03 j m p b oot 0 卜 仇e b ， j 哪b ool 【 1 卜o x ? ? ， j mpb oot 2 司龙 如和 j 哪b 0 0 t 【 0 1 月火 e g ， j m p b o o t 【 1 川笼 钾， m p b oot 2 月 玩 竹 o x 四表示此处可以为任意字节，任一种选择都可以 bs oe m囚曰 m已38 m ic n 的操作系统并不关心此域，但一些e 月 1 ， 驱动比较在乎， 推荐使用“ ms w俐4 . 1 ” 字符串 b p b es s ytsp e rsec l l2 每扇区字节数。只能是: 5 1 2 、1 024 、2 0 4 8 或4 0 96 b p b s留p 自cl usl 3l 每簇扇区数。 此值不能为。 。 且必须是2 整数次方。 但是此值不要 使b p b 一ytsp e rs ec * b p b 多e c p 试l us3 2 k 。 即 每 簇 不 要 超 过3 2 x 字节 b p b 免 v d s e c cnt1 42 保留区 域中的保留 扇区数。保留扇区从第 1 个扇区开始， 对于 f a i ， 1 2 和f a t 1 6 ，这时必须填 1 。对于称 订 3 2 ， 此处为32 bp b nu mf a i sl 6l 此卷中e 们 ， 结构的份数 b p b r 山 成 e n tcntl 72 对于f ai， 1 2 和f a i ， 1 6 卷， 此域中为根目 录项数 ( 每个项长度为32 字节) ，对于曰 订 3 2 ，此域为0 。此值乘上32后必须为 b pb一ytspers ec的 整数 倍 b p b totse c 1 6l 92 此域为存储卷上的 扇区总数。包括e 气 r 表的四个区域的所有扇区 数. 此域可以为。 ， 当 为。 时. b pbee tots ec 32必须非。 。 对于曰 汀 3 2 ， 此域必须为0 。 对于f 丙 r l z 或d 们 ， 】 6 ， 此域为扇区总数， 如果扇区 总数小 于oxl 0 000 ， 则b pb丁 ro t s ec 咒为。 b p b m七 d i a2 ll 对于固定存储介质， 使用o xfs ，对于可移动存储介质， 使用fo。 o xfo ，o xf吕 ，o x f g ，ox队 ，o x f s ， o x fc ，o x f d .侃f e ， oxf f 都 是合法的值， 但是在f a i ， 表中的f a t 【 0的低位必须与之一致 b p b f a i ， 5 2 1 6222 f 八 1 ， 1 2 汪 俩 汀 16每个分区表所占的扇区数。 对于日 订 3 2 ，此域为0 b p b s ecp e r t 比2 42每道扇区数。对于非磁头、柱面、扇区结构的介质，此域可为0 b p b nu mhe ads2 62 磁头数。对于非磁头、柱面、扇区结构的介质， 此域可为0 b p b hl d d s ec2 84 此f 八 1 ， 表所在分区前面的隐藏扇区数.对于非分区的 介质， 此值 可为零，与操作系统有关 bp b 口 fo宜 5 七 c 3 23 24 对于曰 订 3 2 ，此域非零;对于以1 ， 1 2 1 彩 汀16，如果扇区总数超过 o xl0 0 0o，则此域为扇区总数 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 从这里开始，f a i ， 1 2 和e 入 1 ， 1 6的b p b/引导扇区与f a 】 ， 3 2的b p b/引导扇区开始 不同 124。 表3 . 1 . 1 .2 所列为f a t 1 2 和f a t 1 6 中引导 扇区 偏移量36以 后的 结构。 表 1 1 . 1 .2 从偏移址36开始的f 八 t 1 2 和 f 八 t 1 6 结构 名称 偏移 里序 节 长度/ 字节 说明 bs d四nu m3 61 操作系统有关参数，软盘使用o x0o ，硬盘使用0x80 b sr e serve d l 3 7l 保留 ( 供n t 使用) 。必须为0 b s -8oot s i g 3 8l 扩展引导标记 (0 x29)。 此标记用来 指示其后的三个域可用 b s vo l ld3 94 卷的序列号. 此域与b s-voll ab一 起可支 持对可移 动磁盘的 跟 踪，用来判断是否是正确的磁盘。此域常用当前日期和时间来 组成 b s vo i l 日 b4 3l l 11个字节长的卷标. 此域需要与目 录中的卷标一致 b s - f i l 勿5 乃伴 5 48 “ f a t l 2， 乍 人 1 ， 1 6或“ f 戌 1， ， 之一。 此域仅仅是一个标志，操作 系统并不关心它，也不用它来确定文件系统的类型 表3 ， 1 . 1 3 所列是从引导扇区 偏移36开始的 a l ， 3 2 结构四。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 表3 . 1 . 1 . 3 从偏移36 开始的r 灯 3 2 名称 偏移 且/ 字 节 长度1 字节 说明 bp b r幻落2323 64 这个字段是一个f 八 1 ， 卷所占 扇区数的曰 汀 3 2 32位值。 b 阳 f 八 t s zl6 必须为0 b p b - e x 1 f 】 . 即 402 位0 3 从0 开始的活动f 八 t 编号。仅在禁止镜像时有效 位 4 荀保留 位70 表示运行时f a t 被映像到所有f a t 1 表示只 有一个活动的日 u ， 。这是在位 0 3引用的 f a】 ， 位 卜15 保留 b pbfs 垅 r422 高字节是主版次编号。低字节是次版次编号。 这是曰 汀 3 2 卷 的版本号 b p b r oo1 c l us 444 它被设置为根目 录第一个簇的簇编号，通常是2 b p b f s i n fo4 82 它表示在f 八 t 3 2 卷的保留区中f si n ro 结构的扇区编号， 通 常为 1 bp b b k bo 0 tse c5 02 如果字段的值非0 ， 表示扇区编号在引导记录副本的卷的保留 区中。它通常的值是6 ，不推荐使用其它值 b p b r e s e rved5 2l 2 该字段保留用于以 后的扩展。格式化f 八 1 ， 3 2 卷的代码应将该 字段的所有字节设置为0 bs o四n切 m64l 该字段的定义与e a l l z 和 f a i ， 1 6 介质的定义相同。它们与 f a t 3 2 介质的唯一差别是字段在引导扇区的偏移最不同 b sr e s e rved l6 5i 该字段的定义与f a i ， 1 2 和f a i ， 1 6 介质的定义相同。它们与 曰 汀 2 介质的唯一差别是字段在引导扇区的偏移量不同 b s es b 0 0 t s i g 66l 该字段的定义与e 戊 】 ， 1 2 和f a t 1 6 介质的定义 相同。它们与 曰 汀 3 2 介质的唯一差别是字段在引导扇区的偏移量不同 bs vo l l d674 该字段的定义与f 再 1 ， 1 2 和f 人 】 ， 1 6 介质的定义相同。它们与 曰 汀3 2 介质的唯一差别是字段在引导扇区的偏移t不同 bs v(， 】 切 b7ll l 该字段的定义与以1 ， 1 2 和f a i ， 1 6 介质的定义相同。它们与 彩 汀3 2 介质的唯一差别是字段在引导扇区的偏移量不同 b s 一i l s ys勺pe 8 28 通常被设 置为曰 汀 3 2 。 请参考该字段在前面r 日 一 1 2 l f 人 t i 6 部 分的介绍: 扇1i f a i ， 卷扇区0 还有另一点值得注意的地方: 如果认为扇区的内容为字节数组， 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 区 5 1 0 必 须等于0 x5 5 ， 扇区 5 1 1 必须等于侃a a (2 ) e 人 f 区 操作系统分配磁盘空间是按簇来分配的。 因此， 文件占 用磁盘空间时， 基本单位 不是字节而是簇.以 f a i ， 1 6为例，为了可以将磁盘空间有序地分配给相应的文件， 而读取文件的时候又可以从相应的地址读出文件， 把整个磁盘空间分成 32k字节长 的簇来管理，每个簇在f a r 表中占 据着一个 16位的位置，称为一个表项。 对于大文件， 需要分配多个簇. 同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的 一个连续的区域内， 而往往会分成若干段， 像一条链子一样存放。 这种存储方式称为 文件的链式存储。 为了实现文件的链式存储， 硬盘上必须准确地记录哪些簇己经被文 件占 用， 还必须为每个已经占 有的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号， 对一个文 件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由e r 表来保存的，f a r表的对 应表项中记录着它所代表的簇的有关信息: 诸如是否空， 是否是坏簇， 是否己经是某 个文件的尾簇等。 根据簇的情况r u ， 用相应的取值来描述，如表3 . 1 ， 1 .4 所示。 表3 . 1 . 1 .4 f a t 1 6 记录项取值含义 f 八 1 ， 1 6 记录项的取值对应簇的表现情况 0 0 00未分配的簇 0 0 0 2 f f e f己分配的簇 f f f o 八 f f f 6系统保留 f f f 7坏簇 f f f 吕 f f f f文件结束簇 f a i ， 的项数与硬盘上的总簇数相关( 因为每一个项要代表一个簇， 簇越多当然需 要凡 u ， 表项越多) ，每一项占 用的字节数也与总簇数有关 ( 因为其中需要存放簇号， 簇号大当 然每项占 用的字节数就大) 。 d u ， 的格式有多种， 最为常见是f 幻， 1 6 和r u ，3 2， 其中f a i ， 1 6 是指文 件分配表使用16位， 最多能管理6 5 5 36 ( 即21 勺个 簇， 又由 于每 个簇的存储空间最大只有犯k b ， 所以 在使用f a t 1 6 管理硬盘时， 每个分区的最大存 储容量只有6 5 5 3 6 x 3 2 k b( 即2 0 4 8 mb ) ，也就是z g b 。 由 于e a f 对于文件管理的重要性， 所以f ai一 有一个备份，即在原f a 】 ， 的后面再 建一个同 样的f a t o (3 ) 根目 录区 ( r o o t 托 c t o ry称gl on) 紧接着第二个f a t表的后面一个扇区， 就是根目 录了. 根目 录区中存放目 录项， 每个目 录项为 32 个字节， 记录一个文件或目 录的信息 ( 长文件名例外) 。表 3 . 1 . 1 . 5 是目录项的结构。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 表3 . 1 . 1 5 目 录项结构 偏 移 长度2 字节 说明备注 加 h8 文件名 a s cll 字符，当首字符如下时为特殊代码: ooh = 未用名称 o s h = 当文件的第一个字符为esh时，必须换成05h ，因为e ， h 在首字母时另有含义 e s h 二 文件己 使用，但已 经删除 z e h = 本项为目 录 o b h3 文件类型 ( 扩 展名) a s c l l 字符 o b hl文件属性 765432i0 未定义未定义存档目录卷标系统隐藏只读 o chl 0保留 1 6 h2上次更新时间须经编码 1 8 h2上次更新日期须经编码 i ah2起始簇号 此文件开始的簇号， 如果文件有多簇， 根据f a i ， 中与此对应项的 信息可得下一簇簇号 i ch4文件大小文件长度 (4 ) 文件和目 录数据区 目录项的所占的最后一个扇区之后，便是真正存放文件数据或目录的位置了。 11 .2n t f s文件系统 n t 下 5 文件系统与 f a t 文件系统相比。功能更强大，适合更大的磁盘和分区，支 持安全性，是更为完善和灵活的文件系统。 n t 下 5 的磁盘分区由一个被称为主文件表mft ( m as t e r filetabl e) 的数据结构来管 理， 该表实际上是一个茱系 数据库文 件， 记载了 磁盘上的所有信息。 事实上， 可以 把 一个n 吓5 分区看作一个大文件，这个文件的第一层次是记录，第二层次是记录的属 性和磁盘的簇。不过， 这里磁盘的簇为i k b ， z k b 或4 k b ，与磁盘分区的物理大小基 本无关。 因为簇是用64位二进制数来表示的， 所以其相对于f a t 的结构来说是海量的， 不会再因为物理硬盘的扩大而迫使磁盘的簇增大。在n 开5 中，磁盘的簇最大是 4 kbo 5 1 脚 1 . 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平白的研制 3. 1 3职 几 n f s 文件系统 w in f slz 乃 文 件 系 统 全 称 是 w i nd o wsf u t u r e s t o ra g e ( w in d o ws未 来 的 存 储 系 统 )， 这种文件格式在微软公司新一代操作系统vista中进行部署。 3. 2 l 加 u x 文件系统 3. 2. i e x t文件系统 e x t z 文件系统是l i n u x 中使用最普遍的文件系统，是专门为lin u x 设计，拥有较 快的 速度和较小的c p u 占 用率128 1 . e x t z 的 核心是两 个内 部数据结构， 即 超块 (s u pe rb fo ck) 和索引 节点(i n o d e ) . 超块 是一个包含文件系统重要信息的表格， 它是对文件系统基础性、全局性的描述。 索引 节点是基本的文件级数据结构。 文件系统中的每一个文件都可以在其中一个索引节点 中找到其描述。文件系统中所有的索引节点保存在索引节点表中。e x t z 文件系统中 的目 录实际是一种特殊文件， 它们也有对应的索引节点， 索引节点指向的数据块中包 含该目 录中索引的目 录项，每个目 录项对应自己的索引节点。 e x 孔文件系统加上日 志支持的下一个版本是e x t 3 文件系统，它和e x 几文件系 统在硬盘布局上是一样的，其差别仅仅是e x t 3 文件系统在硬盘上多一个特殊i n 0 山， 用 来 记 录 文 件 系 统 的日 志 1291 13 01 。 12 .2l加u xvf s 由 于l i n u x 最重要的特征之一是支持多种不同 文件系统。为了能支持多种文件系 统， l i n u x 用了一个称为虚拟文件系统( v i d uai f i les y s l e m ) 的接口 层将实际的文件系统 同 操作系统分离 开来. v f s 也称为虚拟文件交换( virt u a i f iles wito h) 。它 屏蔽了 不同 文件之间的差异， 使所有文件系统对操作系统的其它部分和用户程序来说都是相同的 131 1 vfs 实际上是用户进程与实际文件系统之间的一种接口，为了兼容各种文件系 统， v f s 定义了 一组标准功能，并要求任何一种通过v f s 装载的文件系统都必须实现 这些功能， 这些功能包括三个主要部分: 文件系统操作， 1 节点操作和文件打开操作。 3 j嵌入式文件系统一般体系结构 嵌入式文件系统体系结构从上到下一般有四个层次，如图3 :31 所示。 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台的研制 应用程序 嵌入式文件系统 文件系统a pi ) 文件系统核心 高速缓冲管理 设备驱动程序 嵌入式实时操作系统等其它模块 硬件设备 图3. 3 . 1 嵌入式文件系统一般结构 在嵌入式文件系统的最上层是文件系统a pi。文件系统的一切功能都是通过这一 层提供给用户的。 同时， 在整个文件系统中也只有这一层对用户是可见的。 在这一层 中 所提供的所有功能接口 都将严格的 遵循p o sl x 标准。 文件系统核心层是实现文件系统主要功能的模块。 在这一层中， 文件系统要把用 户的功能操作转化成对文件系统的抽象对象的 操作。 这些操作将通过下面的功能模块 最终落实到物理介质上面。 如果文件系统需要支持多种具体的文件系统格式的话， 这 一层还可以进一步细分成虚拟文件系统和逻辑文件系统。 高速缓冲管理是文件系统的效率之源。 高效的高速缓冲区管理算法能大幅度提高 文件系统执行的效率， 同时它要为文件系统的实现提供与硬件无关的统一接口， 是文 件系统结构规整性的基础。 最下 面一层是设备驱动程序， 涉及到具体的 硬件。 设备驱动程序的另一重要任务 就是提供统一的设备驱动程序接口。 作为整个操作系统的一部分，文件系统和操作系统内核的关系主要体现在三方 面: 实时时钟、 信号量和中断管理。 用时钟实现外设任务的等待延时， 用信号量实现 外设的同步和互斥以及解决资源的互斥访问， 用中断管理机制管理外设的中断处理程 序。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台的研制 3. 4嵌入式文件系统 14.1 r o m fs( r o mfile sys t e m ) 是一种为li nux 设计的占 用系统资源比 较小的基于块的 只读文件系统，它使用块 ( 或扇区) 访问存储设备驱动。这种文件系统结构简单， 实 现容易， 常常用在嵌入系统和系统引导时。 起初设计它的目的只是在有启动盘的场合 下， 提供一个比普通文件系统更加节省空间的文件系统。在r o m fs 中， 文件系统的管 理代码占用的空间比较小。 14 .2cramf s 田 加伪 是c o m p r e s 咖 r o mfi lesyst em的 缩写， 为只读文件系统， 其容 量上限只 有2 56m b ， c r a m f s 中的数据已 被压缩，属于只读性文件系统，不能在闪 存中修改。 用户想获取数据时，c r a mf s 先把数据送到r a m中，用户从r a m中读取。一般 c r a mf s 的上层为r a mf s 文件系统， 经修改过的文件都保存在r a m中。 c r a mf s 结 构的缺陷在于， 一旦出现掉电等特殊情况， 保存在r a mf s 中的修改数据将全部丢失。 14 3 t r l l e f f s 下 川 e f fs是wind形v er 公司的tom a d o 嵌入开发环境的一部分， 它并不是一种真正 的文件系统， 仅相当于一个中间的接口部分，