文件的使用实验 ( 另可参考学习情境三之详述 )

文件的使用实验(另可参考学习情境三之详述) 电信学院嵌入式技术与应用专业

实验提纲 1 实验目的 2 实验内容 3 预备知识 4 实验设备 5 实验原理 6 实验思考

实验目的 • 学习使用文件相关的API函数，了解在uCOS-II操作系统上扩展文件系统的情况。

实验内容 • 通过使用开发平台提供的API函数，打开一个保存在FLASH海量存储器中的英文文本文件，将其文件内容输出显示在液晶屏上。

预备知识 • 1、用ARM ADS1.2集成开发环境，编写和调试程序的基本过程。 • 2、基于uCOS-II操作系统的应用程序的框架结构。 • 3、操作系统原理中有关文件系统的知识，了解文本文件以及字符串的处理方法。 • 4、使用LCD_printf向液晶屏输出字符。

实验设备及工具（包括软件调试工具） • 硬件：ARM嵌入式开发平台、用于ARM920T的JTAG仿真器、PC机Pentium100以上。 • 软件：PC机操作系统Win2000或WinXP、ARM ADS1.2集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序、SourceInsight。

基础知识 • uCOS-II操作系统本身并没有文件系统。在将uCOS-II操作系统移植到UP-TECH2410嵌入式开发平台时参考YAFFS(yet another Flash File System)为该系统扩展了一个简单的文件系统，从而使该操作系统功能更强大，也符合实际嵌入式产品开发的需要。开发平台的硬件中有一片容量为64M的NAND FLASH存储芯片作为嵌入式设备的固态数据存储器，或称为电子硬盘。该存储器由文件系统管理，在文件系统的功能函数与FLASH芯片之间有相关驱动程序实现高层系统功能和底层具体硬件的数据交换。 • 而对UP-TECH3000。在将uCOS-II 操作系统移植到ARM 嵌入式开发平台时参考FAT16 为该系统扩展了一个简单的文件系统，从而使该操作系统功能更强大，也符合实际嵌入式产品开发的需要。开发平台的硬件中有一片容量为16M 的NAND FLASH 存储芯片作为嵌入式设备的固态数据存储器，或称为电子硬盘。

Flash存储器及文件系统介绍 • 1、Flash存储器 • Flash文件系统,顾名思义就是采用Flash作为外存储器实现的文件系统。因此,Flash文件系统地实现就必须考虑Flash存储器的特点。 • Flash存储器由于具有存储容量大、掉电数据不丢失以及可多次擦写等许多优点,正逐步取代其它半导体存储器件而广泛应用于移动电话、PDA以及数码相机等移动电子产品中。其作为存储数据和应用程序的存储体,可以将大量数据方便、快捷地移动和交换。 • Flash内部分为多个存储单元块（block）,每个存储单元块又由多个页（page）组成。存储单元块是可擦除的最小单位,页是写入数据的最小单位。

Flash存储器及文件系统介绍 • Flash存储器读取数据与一般的存储器类似,可以实现随机读取,读出的速度也很快。而Flash存储器的写操作则和一般的存储器有所不同,Flash的写操作必须先按存储块擦除（写入0xff到要擦除的存储单元块中）,再按页顺序写入。由于Flash存储器擦除耗时较长,所以Flash存储器写入的时间主要在于Flash存储器内部的擦除操作等。 • Flash存储器第一块一定是有效块,而其它块可能会在使用前就是坏块或者在使用过程中变成坏块（invalid block）。Flash存储器对内部坏块的判定是,根据其每一个单元存储块中的第3区中的第6 Cloumn内容是否为0xff来定。虽然Flash存储器内容会有坏块,但是由于每一块的内部结构都是相互独立的,所以只要对其状态加以识别,坏块并不影响系统对有效块的操作。

Flash存储器及文件系统介绍 • 2 flash文件系统介绍 • 有了Flash存储器,相应的应该有对应的系统来管理,于是有了Flash文件系统的出现。和常规的文件系统类似,我认为Flash文件系统的提出,至少需要实现以下几个特点： • 统一管理Flash存储器存储空间,实施存储空间的分配与回收 • 实现文件的按名存取,使用方便,直观 • 向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令,以及提供对文件的操作命令 • 优化存储速度和空间利用屏蔽物理因素的影响,如对于坏损单元,采用透明的坏损管理

Flash存储器及文件系统介绍 • 3 Flash FAT文件系统设计 • FAT文件系统设计应该分为两个层次： • 最一层,直接和物理硬件接触,管理Flash物理存储器; • 第二层,在基层之上,实现文件管理,如实现FAT • 3.1第一层 • （1）物理地址到逻辑地址的映射 • 为了在Flash物理地址和FAT操作的逻辑地址之间建立一个好的映射关系,须对Flash的存储空间在逻辑上进行了重新定义。结合Flash特点,将每个存储单元块内部分成若干物理扇区。具体实现时,每个物理扇区可以分为基本的数据区和其它信息保留区（如安全性）。确定好扇区的结构和大小之后,物理地址到逻辑地址的映射也就确定了。 • （2）可靠性设计 • 一个完善的文件系统需要有良好的可靠性。笼统的讲,可靠性的实现,需要存储器信息的支持,扇区的信息保留区就可以利用起来。

Flash存储器及文件系统介绍 • （3）坏块管理 • 由于Flash内部会有坏块,因此Flash存储管理系统需要对Flash进行坏块管理。而且，坏块单元对用户应用应该是完全透明的。一般坏块的管理分以下两种情况： • ① 初始坏块处理。Flash存储器在使用前可能会有坏块,而且这些坏块是随机分布的。所以,Flash文件管理系统在系统执行读写操作之前先建立一个坏块表,然后对Flash存储器进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用,加入到坏块表中。 • ② 操作过程中坏块处理。在擦除或者编程过程中发生错误时,Flash文件管理系统将该块中其它页的数据重新拷贝到一个新的空块中,然后再将该块标记为坏块,加入到坏块表中。在这个处理过程中,由于对Flash的擦除或者编程操作都会使得Flash存储单元块的内容改变,所以Flash文件管理系统一旦发现Flash存储器的存储单元块成为坏块后便不再对该块进行擦除或编程操作,以免将坏块标志位数据清除掉,而是将该块标记为坏块,并将其加入坏块表中。

Flash存储器及文件系统介绍 • （4）均衡擦写次数 • 由于Flash有一定的使用寿命,一般可擦除的次数为10～100万次,所以随着使用次数的增加,会有一些单元逐渐变得不稳定或失败。因此,要尽量避免频繁地对同一块地址操作,以免造成局部单元提前损坏;同时,由于擦除操作耗时较多,也应减少擦除操作,应该尽量达到擦写次数均衡。为此,有必要设计Flash更新算法和磨损程度检测算法。 • Flash更新算法可以是将Flash中要更新的数据直接写入一个空块中,降低由于Flash先擦除后写入的特性带来的对块的频繁擦除;同时,也提高了Flash的使用效率,加快了操作速度。 • 磨损程度检测算法是在对Flash进行写入前必须先对Flash进行坏块扫描,以确保不会将数据写入坏块从而此起数据的丢失。

Flash存储器及文件系统介绍 • 3.2 FAT设计 • 在Flash文件管理系统的基础上,还建立了FAT文件系统来对文件操作进行管理。将FAT文件系统具体分为以下四部分： • （1）FAT的引导区 • 该引导区存放代码所需的信息及最重要的文件系统信息。这些信息包括了Flash存储器的类型、容量以及划分成多少个簇;每个簇包含多少扇区、FAT表数目、保留扇区数、根目录的首簇号及根目录入口数、版本信息等等。引导扇区是在格式化Flash时生成的。 • （2）FAT的文件分配表 • 文件分配表存放文件所占用的存储空间族链以及Flash存储器的占用和空闲空间的情况,非常重要。 • 为了防止文件分配表损坏而引起文件的丢失,可以在系统中保存两个相同的文件分配表FAT1和FAT2,以改善其安全性。在文件系统的操作中,程序对FAT表结构的两个备份进行顺次修改,以此确保Flash存储器上总是存有一整套完好的文件分配表。 • 系统对FAT表的访问原理如下：访问文件时先从要目录中找到该文件的目录项,从中读出首簇号。然后,目录中找到该文件的目录项,从中读出首簇号。然后在FAT中找到从该首簇号开始的簇链,簇链上的簇号即为文件在逻辑扇区中占用的扇区号链,这样便可以进行数据读写了。

Flash存储器及文件系统介绍 • （3）FAT的根目录区 • FAT的根目录区是固定大小的紧跟在FAT表后的区域。本文将从FAT区之后紧跟的32个扇区作为根目录区,可以保存512个目录项。每个目录项记录了该文件的文件名、文件属性、文件大小、文件创建的日期和时间以及文件在数据区中所占的首簇号,即该文件在FAT表中的入口等数据。 • （4）FAT的数据区 • 数据区存在文件的数据内容。文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的。

Flash存储器及文件系统介绍 • 4 YAFFS文件系统 YAFFS，Yet Another Flash File System，是一种类似于JFFS/JFFS2的专门为Flash设计的嵌入式文件系统。与JFFS相比，它减少了一些功能，因此速度更快、占用内存更少。YAFFS和JFFS都提供了写均衡，垃圾收集等底层操作。它们的不同之处在于： • （1）、JFFS是一种日志文件系统，通过日志机制保证文件系统的稳定性。YAFFS仅仅借鉴了日志系统的思想，不提供日志机能，所以稳定性不如JAFFS，但是资源占用少。 • （2）、JFFS中使用多级链表管理需要回收的脏块，并且使用系统生成伪随机变量决定要回收的块，通过这种方法能提供较好的写均衡，在YAFFS中是从头到尾对块搜索，所以在垃圾收集上JFFS的速度慢，但是能延长NAND的寿命。 • （3）、JFFS支持文件压缩，适合存储容量较小的系统；YAFFS不支持压缩，更适合存储容量大的系统。YAFFS还带有NAND芯片驱动，并为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD和VFS，直接对文件进行操作。NAND Flash大多采用MTD+YAFFS的模式。MTD（ Memory Technology Devices，内存技术设备）是对Flash操作的接口，提供了一系列的标准函数，将硬件驱动设计和系统程序设计分开。

开发平台文件系统介绍 • 1、在UP-TECH2410开发平台中，用到的对yaffs文件系统操作的函数有下面几个，fopen ()函数以指定模式打开文件；fRead ()函数读取已打开文件数据到指定缓冲区；fWrite()函数将指定缓冲区的数据写入到文件；readline ()函数读取文本文件的一行字符；fClose()函数关闭文件，释放文件缓冲区。 UP-TECH2410文件系统相关操作函数： • 文件的打开(fopen函数) • fopen函数用来打开一个文件，其调用的一般形式为：文件指针名=fopen(文件名,使用文件方式); 其中， “文件指针名”必须是被说明为FILE 类型的指针变量； “文件名”是被打开文件的文件名； “使用文件方式”是指文件的类型和操作要求。 “文件名”是字符串常量或字符串数组。 • 使用文件的方式共有12种，下面给出了它们的符号和意义。 • “rt” 只读打开一个文本文件，只允许读数据 “wt” 只写打开或建立一个文本文件，只允许写数据 “at” 追加打开一个文本文件，并在文件末尾写数据 “rb” 只读打开一个二进制文件，只允许读数据 “wb” 只写打开或建立一个二进制文件，只允许写数据 “ab” 追加打开一个二进制文件，并在文件末尾写数据

开发平台文件系统介绍 • 另外6种，其符号和意义如下。 • “rt+” 读写打开一个文本文件，允许读和写 “wt+” 读写打开或建立一个文本文件，允许读写 “at+” 读写打开一个文本文件，允许读，或在文件末追加数据 “rb+” 读写打开一个二进制文件，允许读和写 “wb+” 读写打开或建立一个二进制文件，允许读和写 “ab+” 读写打开一个二进制文件，允许读，或在文件末追加数据

开发平台文件系统介绍 • 文件关闭函数（fclose函数）文件一旦使用完毕，应用关闭文件函数把文件关闭，以避免文件的数据丢失等错误。fclose函数调用的一般形式是：fclose(文件指针)； • 读字符函数fgetc fgetc函数的功能是从指定的文件中读一个字符，字符读写函数是以字符(字节)为单位的,函数调用的形式为：字符变量=fgetc(文件指针)； • 写字符函数fputc fputc函数的功能是把一个字符写入指定的文件中，字符读写函数是以字符(字节)为单位的,函数调用的形式为： fputc(字符量，文件指针)；

开发平台文件系统介绍 • 数据块读写函数fread和fwtrite Ｃ语言还提供了用于整块数据的读写函数。可用来读写一组数据，如一个数组元素，一个结构变量的值等。 • 读数据块函数调用的一般形式为： fread(buffer,size,count,fp); • 写数据块函数调用的一般形式为： fwrite(buffer,size,count,fp); 其中: • buffer 是一个指针，在fread函数中，它表示存放输入数据的首地址。在fwrite函数中，它表示存放输出数据的首地址。 • size 表示数据块的字节数。 • count 表示要读写的数据块块数。 • fp 表示文件指针。

开发平台文件系统介绍 • 2、在UP-TECH3000平台，使用文件系统之前必须通过initOSFile()函数初始化文件系统，为文件缓冲区分配存储空间。FILE 是一个文件相关的结构体，定义如下： typedef struct{ U8 Buffer[Block_Size]; //文件缓冲区32*1024 U32 fileCluster; //文件当前的簇的位置 U32 filemode; //打开文件的模式 U32 filebufnum; //文件缓冲区中已经读取/写入的字节数 U32 fileCurpos; //读写的当前位置 U32 filesize; //文件的大小 }FILE;

文件系统使用 • 流程图：

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