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(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.北京航空航天大學(xué)；3.北京鐳航世紀(jì)科技有限公司)

引 言

在目前的存儲系統(tǒng)中，存儲介質(zhì)扮演著非常重要的角色，如固態(tài)硬盤SSD、NAND Flash、eMMC等。這些存儲介質(zhì)各具特色：SSD具有寫入速度快、功耗低、讀取延遲小等優(yōu)勢，但其封裝體積較大；NAND Flash芯片具有存儲容量大、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但存在兼容性差、操作復(fù)雜度高、需要過多關(guān)注壞塊管理、損耗均衡以及誤碼率等一些固有的缺陷[1]。在充分考慮存儲芯片的封裝體積、容量、帶寬要求等參數(shù)后，本系統(tǒng)選用eMMC作為存儲設(shè)備。eMMC是一種內(nèi)嵌式存儲芯片，具有接口簡單、存儲容量大、傳輸速度快和集成度高等優(yōu)點(diǎn)[2]，eMMC將NAND Flash和主控芯片封裝成一個微型的BGA芯片，內(nèi)部集成Flash控制器，主要包括ECC糾錯機(jī)制、平均擦寫存儲區(qū)塊技術(shù)、壞區(qū)管理、掉電保護(hù)等控制技術(shù)。

為了滿足存儲系統(tǒng)快速啟動、緊急掉電數(shù)據(jù)保護(hù)、便捷導(dǎo)出等設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用STM32F7作為控制器，使用SDIO接口掛載eMMC，并通過高速USB接口將其實(shí)現(xiàn)為USB大容量存儲設(shè)備，計算機(jī)可通過USB接口直接對記錄文件進(jìn)行導(dǎo)出操作。記錄文件通過自己建立的文件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，記錄過程中數(shù)據(jù)直接由eMMC讀寫驅(qū)動寫入文件數(shù)據(jù)區(qū)。這樣存儲系統(tǒng)可以在不進(jìn)行USB大容量存儲設(shè)備枚舉的情況下實(shí)現(xiàn)快速啟動進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并且在緊急掉電情況下記錄文件不會受到損壞，同時數(shù)據(jù)仍然可以通過USB對大容量存儲設(shè)備的訪問實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)選用由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的采用Cortex-M7內(nèi)核的STM32系列32位處理器STM32F7，該處理器性能優(yōu)異、功耗超低、集成度高，搭配SDIO控制接口，提供高速USB接口，并內(nèi)置高速USB PHY，極大地簡化了外圍電路設(shè)計。選用鎂光公司的MTFC64GAKAEEY-4M IT作為存儲芯片，存儲容量為64 GB，可支持的最大時鐘頻率為52 MHz，SDR模式下連續(xù)寫數(shù)據(jù)能力最大可達(dá)40 MB/s，連續(xù)讀數(shù)據(jù)能力最大可達(dá)90 MB/s[4]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

存儲系統(tǒng)主要由STM32控制模塊、eMMC存儲模塊和電源模塊三部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

其中，控制模塊通過SDIO接口與eMMC進(jìn)行通信，SDIO接口包括時鐘信號CLK、命令信號CMD和4位數(shù)據(jù)線DAT0～DAT3[5]。

2 eMMC驅(qū)動設(shè)計

圖2 多塊讀過程時序

數(shù)據(jù)記錄和文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)均以存儲設(shè)備的底層驅(qū)動為基礎(chǔ)，本系統(tǒng)存儲設(shè)備為eMMC，其底層驅(qū)動主要包括eMMC初始化，eMMC的讀、寫等。

2.1 eMMC初始化

設(shè)備的初始化過程為：eMMC收到軟件復(fù)位命令CMD0或者進(jìn)行硬件復(fù)位后，就切換到Idle狀態(tài)，STM32首先發(fā)送CMD1命令來獲取eMMC的工作條件；然后通過發(fā)送廣播命令CMD2，eMMC向STM32回應(yīng)其獨(dú)一無二的設(shè)備識別號；完成識別之后，eMMC切換到Identification狀態(tài)；接著STM32發(fā)送CMD3命令為eMMC分配唯一的相對地址，用于數(shù)據(jù)傳輸模式下對eMMC進(jìn)行尋址選定，eMMC只要收到相對地址RCA，其狀態(tài)就切換到Stand-by，eMMC初始化完成。

2.2 eMMC讀/寫驅(qū)動操作

eMMC和STM32之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過DAT數(shù)據(jù)線進(jìn)行的，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)寬度為4位，數(shù)據(jù)讀寫過程在SDR模式下進(jìn)行。

2.2.1 讀驅(qū)動

數(shù)據(jù)讀過程包括單塊讀和多塊讀兩種類型，本系統(tǒng)采用多塊讀方式。多塊讀過程包括兩種形式：一種形式是通過CMD18命令預(yù)先指定讀取的塊數(shù)，所有數(shù)據(jù)塊讀取結(jié)束之后自動返回到數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；另外一種形式是開放式讀取，不設(shè)定讀取塊數(shù)，設(shè)備會持續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)直到收到主機(jī)的停止傳輸命令，本文采用第一種方式。本系統(tǒng)設(shè)定連續(xù)讀數(shù)據(jù)長度為32塊。

多塊讀流程為：STM32首先發(fā)送CMD16命令設(shè)置單塊的長度為512字節(jié)，設(shè)置結(jié)束后，發(fā)送eMMC芯片多塊讀命令CMD18，包含讀起始地址參數(shù)，并指定連續(xù)讀數(shù)據(jù)長度為32塊。多塊讀只需發(fā)送一次CMD18命令，每讀取一塊，讀取塊數(shù)就加1，數(shù)據(jù)線間隔NAC個時鐘周期之后接著讀取下一塊數(shù)據(jù)，直至讀取到第32塊，多塊讀結(jié)束[6]。多塊讀過程時序如圖2所示。

2.2.2 寫驅(qū)動

數(shù)據(jù)寫過程包括單塊寫和多塊寫兩種類型，本系統(tǒng)采用多塊寫方式。多塊寫分為兩種方式，一種是設(shè)置預(yù)定塊數(shù)的寫入，另一種是開放式流寫入，本系統(tǒng)采用第一種方式[5]，設(shè)定連續(xù)寫數(shù)據(jù)長度為32塊。

多塊寫流程為：STM32首先發(fā)送CMD16命令設(shè)置單塊長度為512字節(jié)，設(shè)置結(jié)束后，發(fā)送多塊寫命令CMD25，包含起始扇區(qū)地址，并指定連續(xù)寫數(shù)據(jù)長度為32塊。待eMMC芯片收到響應(yīng)后，就可以進(jìn)行寫操作，一旦CMD25響應(yīng)錯誤或超時，則需要再次發(fā)送。當(dāng)設(shè)定為寫入塊數(shù)方式時，命令結(jié)束NWR個時鐘周期之后則開始寫入數(shù)據(jù)。每一塊后面都會進(jìn)行CRC校驗(yàn)，以確保寫入數(shù)據(jù)正確[7]。每正確寫入一塊，寫入塊數(shù)就加1，直至寫數(shù)據(jù)到第32塊時，數(shù)據(jù)將開始編程寫入Flash陣列。多塊寫過程時序如圖3所示。

圖3 多塊寫過程時序

3 FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計

為了有效管理eMMC寫入的數(shù)據(jù)，使記錄數(shù)據(jù)能夠以文件形式被訪問和導(dǎo)出，必須將eMMC中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲，需要在eMMC中創(chuàng)建常用的可以被Windows系統(tǒng)訪問的文件系統(tǒng)。本設(shè)計中采用FAT32文件系統(tǒng)。

3.1 FAT32文件系統(tǒng)簡介

FAT32文件系統(tǒng)是Windows98操作系統(tǒng)為改善磁盤管理而推出的一項(xiàng)新的文件管理系統(tǒng)。FAT32文件系統(tǒng)實(shí)際上就是用32位數(shù)據(jù)來描述磁盤簇分配[8]。FAT32分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由MBR、DBR、保留扇區(qū)、FAT表和目錄及數(shù)據(jù)區(qū)5部分組成。FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

① MBR即主引導(dǎo)扇區(qū)，位于整個硬盤的0 磁道0 柱面1 扇區(qū)，包括硬盤主引導(dǎo)記錄MBR和分區(qū)表DPT兩部分，主要用于檢查分區(qū)表是否正確并確定引導(dǎo)分區(qū)的地址，同時便于在程序結(jié)束時把引導(dǎo)分區(qū)的啟動程序調(diào)入內(nèi)存加以執(zhí)行。

② DBR即操作系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)。一般占用512字節(jié)，該扇區(qū)由跳轉(zhuǎn)指令、操作系統(tǒng)名稱和版本號、BPB區(qū)、擴(kuò)展BPB區(qū)、結(jié)束標(biāo)志和DOS引導(dǎo)程序區(qū)組成。其中BPB記錄本分區(qū)的每簇扇區(qū)數(shù)、每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、FAT表數(shù)、FAT表扇區(qū)數(shù)及根目錄簇號等重要參數(shù)。表1為FAT32文件系統(tǒng)的DBR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表1 FAT32文件系統(tǒng)的DBR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

③ 保留扇區(qū)位于FAT32文件系統(tǒng)起始部分，由若干個扇區(qū)組成，該扇區(qū)的大小記錄在DBR扇區(qū)中。

④ FAT表的含義是文件分配表，該區(qū)是FAT32文件系統(tǒng)管理磁盤空間和文件的最重要區(qū)域。它通過位示圖法來保存邏輯盤數(shù)據(jù)區(qū)各簇使用情況信息。文件所占用的存儲空間及空閑空間的管理都是通過它來實(shí)現(xiàn)的。FAT32一般包含兩份FAT，F(xiàn)AT1是第一份，即主FAT，位于邏輯32扇區(qū)。在FAT表中，每簇占用4字節(jié)，其中開頭的8字節(jié)用來存放該盤介質(zhì)類型編號。如果某個文件占用很多簇，則第一個FAT項(xiàng)用于記錄下一個FAT項(xiàng)簇號，如果這個文件結(jié)束了，則用“0FFF FFFF”表示。

⑤ 目錄及數(shù)據(jù)區(qū)主要由根目錄、子目錄和文件內(nèi)容三個部分組成[11]。在存儲時以簇為單位，其中2號簇被分配給根目錄使用。每個目錄項(xiàng)占用32個字節(jié)，可以是長文件名目錄項(xiàng)、文件目錄項(xiàng)、子目錄項(xiàng)等。本系統(tǒng)使用短文件名。

3.2 本文件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)在eMMC上移植FAT32文件系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，計算機(jī)通過高速USB接口將eMMC識別為一個USB大容量存儲設(shè)備，因而不需要進(jìn)行分區(qū)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)帶寬為5 MB/s，存儲時間為3 min，則單個文件占用的最大存儲容量為900 MB，本系統(tǒng)設(shè)定的單個文件固定大小為2 000 MB。設(shè)定FAT32文件系統(tǒng)的DBR參數(shù)如下：每扇區(qū)字節(jié)數(shù)為512、每個簇占用32個扇區(qū)、保留扇區(qū)數(shù)為32、FAT表數(shù)為1、每個FAT表所用扇區(qū)數(shù)為28 225、根目錄第1簇的簇號為2，計算出單個文件占用128 000個簇，系統(tǒng)文件使用短文件名。

4 測 試

4.1 文件系統(tǒng)

系統(tǒng)上電后，計算機(jī)可將eMMC識別為一個USB大容量存儲設(shè)備，可用容量為55.1 GB，計算機(jī)識別eMMC如圖4所示。

圖4 計算機(jī)識別eMMC

打開USB設(shè)備，可以看到設(shè)備內(nèi)存在兩個文件DATA_001和DATA_002，并且每個文件大小為2 048 000 KB，即2 000 MB，與系統(tǒng)設(shè)定的文件大小一致，文件內(nèi)容如圖5所示。

圖5 文件內(nèi)容

用WinHex打開USB設(shè)備，可以看到文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用WinHex打開啟動扇區(qū)，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)的引導(dǎo)扇區(qū)DBR數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 引導(dǎo)扇區(qū)DBR

可以看到每扇區(qū)字節(jié)數(shù)為512、每個簇為32扇區(qū)、保留扇區(qū)數(shù)為32、FAT表數(shù)為1即FAT1、每個FAT的扇區(qū)數(shù)為28 225、根目錄起始簇號是2，與設(shè)定的參數(shù)一致。

4.2 存 儲

(1)根目錄起始偏移地址定位

根目錄起始扇區(qū)=保留扇區(qū)數(shù)+FAT×1+(起始簇-2)×每簇的扇區(qū)數(shù)，由引導(dǎo)扇區(qū)DBR中可知根目錄起始簇號為2，所以求得根目錄起始扇區(qū)為32+28 225+(2-2)×32=28 257，則FAT表所在的起始偏移位置為DCC200。DCC200處的內(nèi)容如圖8所示，可以看到根目錄起始扇區(qū)與圖6顯示一致。

圖8 根目錄起始偏移地址

(2)第一個文件位置的定位

將系統(tǒng)的多路串口數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流形式寫入數(shù)據(jù)區(qū)。第一個文件開始扇區(qū)=根目錄開始扇區(qū)+(簇編號-2)×每簇的扇區(qū)數(shù)，第一個文件簇編號為128，則第一個文件扇區(qū)為28 257+(128-2)×32=32 289，則第一個文件所在的起始偏移位置為FC400，第一個文件數(shù)據(jù)如圖9所示，可以看出第一個文件扇區(qū)地址與圖6顯示的一致，且數(shù)據(jù)為連續(xù)數(shù)據(jù)流。

圖9 第一個文件數(shù)據(jù)

4.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)是直接通過eMMC寫驅(qū)動寫入記錄文件數(shù)據(jù)區(qū)，可以通過USB直接復(fù)制記錄文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。復(fù)制文件DATA_001到計算機(jī)桌面，數(shù)據(jù)導(dǎo)出過程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)導(dǎo)出過程

結(jié) 語