基于CF卡的特定FAT文件系統的設計與實現

1、引言

　　隨著測試與信息技術的不斷發展，測試采集系統的采集速度、處理能力以及存儲容量逐漸成為衡量其性能的重要指標。隨著數據采集精度的不斷提高，需要存儲的數據量也成倍的在增長，并且由于其實時性要求依然存在，因此，如何開發出大容量、高速的外掛移動存儲設備成為測試系統發展的一個重要方向。

　　此外，對于部分有特殊要求的室外采集裝置，其數據處理要求并不高，大部分設備只要求能夠及時將數據進行連續存儲，并能夠保證在斷電之后數據不丟失，且便于拆卸、轉移，之后將數據存儲設備取出，連接到后端的一些專用數據處理設備上進行數據的后期處理。對于這類存儲采集裝置，在具體的存儲方案上無外乎磁介質、光介質和固體介質幾種，而由于光介質的存儲方式精密程度和對環境的要求都較高，因此采用得很少。磁介質由于其容量大的特點占得了先機，之前采用磁介質存儲的方案較多。但是近年來，隨著固體介質技術的不斷發展，其容量已經與磁介質漸漸接近，并且基本上可以滿足部分需求。本文所采用的CF卡就是其中一種工業上采用較多的固體存儲介質方案。此外，在本系統中，采用的是FPGA+軟核CPU作為控制核心。在存儲的數據文件方面，則采用了可以與普通PC相兼容的經過了特殊處理的FAT32文件系統。

2、CF卡的結構和工作原理

　　CompactFlash技術是由CF協會（CompactFlash Association）提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術。CompactFlash卡（簡稱CF卡）主要由兩大部分構成：內部控制器和閃存模塊，如圖1所示，此外還包含一個雙口RAM作為數據緩沖。CF卡的存儲模塊基本上都使用NAND型閃存，內部控制器用來實現CF卡與主機的接口以及控制數據的傳輸，使外圍電路設計大大簡化。實際上，這個控制器起到了一種協議轉換的作用，即把對各種不同類型存儲媒介的讀寫轉化成了對通用控制器的訪問，這樣不同的CF卡都可以按照統一的接口規范來操作，而不用擔心兼容性問題。此外，由于其完全符合ATA接口規范，使得對基于CF卡的存儲系統的開發變得更加方便。

　　CF卡的讀寫方式有三種：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式與PCMCIA標準兼容，True IDE模式與ATA標準兼容。三種方式相比較而言，在True IDE模式下，CF卡與主機通信的信號最少，硬件接口最簡單、軟件易于實現，并且由于IDE接口協議較為普及，通常開發周期短一些，且應用更為成熟。

　　在外部看來，CF卡的數據按照扇區的方式進行存儲，其扇區尋址有兩周方式：物理尋址方式（CHS）和邏輯尋址方式（LBA），而這兩者之間的關系為：

LBA地址=(柱面號×磁頭數+磁頭號)×扇區數+扇區號-1

　　由于CF卡沒有機械結構，因此CF卡的扇區尋址更適宜采用沒有磁頭和磁道轉換操作的邏輯尋址方式，尤其在訪問連續扇區時，操作速度相比物理尋址方式而言要快得多。

　　此外，CF卡還具有體積小、可靠性高（固態存儲）、功耗低、非易失性等優點，并且隨著存儲技術的不斷發展，CF卡的容量已經越來越大，64GB的CF卡已經由三星公司在2006年實現市場商品化，CF卡越來越多地成為工業存儲尤其是信號測試采集過程中的首選存儲設備。本系統采用存儲介質是Sandisk公司1GB大小的Extreme III CF卡，支持最大的讀寫速度均為20MB/s，完全可以滿足一般的實時數據采集需求。

3、系統硬件設計

　　本系統的硬件框圖如圖2所示。系統外部數據源通過數據緩沖控制器，被不間斷地寫入作為數據緩沖的雙口RAM中，當緩沖區數據到達一定數量之后，數據緩沖控制器通過與處理器的通信，發起DMA傳輸，由DMA控制器來獨立完成數據從緩沖區到CF卡的傳輸。

　　Nios II軟核處理器是Altera公司推出的第二代FPGA嵌入式處理器，它是一款32位RISC嵌入式處理器。它最突出的優點就是可以支持多達60多個外設選項，并且允許開發者自己制定外設模塊，使得開發者能夠在更廣的范圍內選擇或者自己設計開發更加合適的外設，以獲得最合適的處理器、外設和接口組合，而不必為根本用不到的功能而去支付硬件開銷，以達到最佳的性價比。