基于SmartFusion和SPI的文件系统设计与实现﹡

王铜柱， 李 毅， 苏先海

0 引言

随着在FPGA中集成了软核和硬核处理器后，FPGA的功能越来越强大，在单片FPGA上即可完成复杂系统的设计和实现，而通过对FPGA进行重新配置即可改变系统的功能，满足用户不同的需求，大大提高FPGA的利用率，但是丢电易失的特性使得其配置文件只能存放在非易失性存储中，设计者需要考虑如何有效的管理与各种功能对应的多个配置文件，因此移植 FatFs文件系统以达到对若干配置文件的管理，同时避免对存储flash的直接访问，避免误操作，具有较高的实用价值。

1 FatFs文件系统

FatFs是专门针对小型嵌入式系统的通用 FAT文件系统模型。FatFs依据标准C规范编写，完全和存储介质的读写 I/O分开，所以可以轻松移植到各种硬件平台上，可以在其官方主页[1]上下载其源代码和使用说明等信息，同时也提供了移植到PIC和ARM等低成本的微控制器上的示例程序。FatFs主要具有以下特性：①兼容FAT文件系统；②不受应用平台限制，移植性好；③代码空间和数据空间需求量小；④多样的配置选项：多种存储媒介支持、长文件名支持、RTOS支持等。

FatFs具有良好的层次结构和方便的移植性，如图1所示。FatFs共分3层。顶层的应用层提供了一系列的应用函数，如f_open，f_close，f_read，f_write等，对使用者来说屏蔽了FAT协议和FatFs内部复杂的函数，因而可以轻松完成相关文件操作。中间层FatFs实现了FAT文件读/写协议，同时可以方便增加RTOS。底层是使用者需要处理的存储介质读写I/O，如块读函数和块写函数等。时钟位如图2所示。

图1 FatFs的分层结构

图2 时钟位

2 SmartFusion片上系统

SmartFusion芯片[2]集成了FPGA，Cortex-M3处理器，提供了丰富的外设资源，如图 3所示。Cortex-M3是一款低功耗处理器，具有门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的，高性能，低功耗，易扩展[3]。SPI控制器[4]以从模式与处理器通过APB总线连接，支持接入大存储SPI flash和EEPROM器件，包含以Cortex-M3和以DMA两种方式控制数据传输，本设计中选择DMA方式进行数据传输。

图3 SmartFusion芯片架构

3 FatFs文件系统的移植

FatFs移植的具体工作有两步，即编写FatFs接口函数和FatFs里的配置函数。

3.1 FatFs接口需求

需要给出下列若干函数来控制对物理介质的读和写，如表1所示。

表1 FatFs接口APIs

SmartFusion评估板上带一片 Atmel SPI flash，AT25DF641-MWH-T，支持通用的块擦除（4 Kbyte，32 Kbyte，64 Kbyte）和整片擦除[4]。

3.2 FatFs接口设计

存储介质初始化函数——DSTATUS disk_initialize (BYTE pdrv)：本设计中就是spi flash的初始化及其解保护。pdrv是存储介质编号，本设计只支持flash一个存储介质，将pdrv设为0。

读扇区函数——DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE *buff,DWORDsector,BYTE count)：*buff为读缓存，sector是起始扇区号，count是需要读的扇区数目。用spi flash函数API，以4Kb为单位进行操作。读取无误返回0，错误返回非0。

写扇区函数——DRESULT disk_write(BYTE pdrv,const BYTE *buff,DWORD sector,BYTE count)：*buff为写缓存，sector是起始扇区号，count是需要写的扇区数目。调用 spi flash函数API，以4Kb为单位进行操作。写无误返回0，错误返回非0。

存储介质控制函数——DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv,BYTEcmd,void *buff)：cmd是控制命令，*buff为存储或接收数据缓存。本设计中只是简单的得到簇大小，簇数量等信息。

实时时钟函数——DWORD get_fattime ()：直接调用SmartFusion芯片的RTC模块，将得到一个32位无符号整数，时钟信号包含在这 32位中，如图2所示。

3.3 FatFs配置

文件中ffconfig.h文件定义了所有相关的FatFs配置信息，通过FatFs的配置（如表2所示），可以根据需要对代码进行裁剪，以获得最合适的代码。

3.4 FatFs文件系统在SmartFusion芯片上的实现

如图4所示，为带有FatFs模块的嵌入式系统的典型架构，需要在Application模块中完成系统初始化，创建文件系统等工作，重写diskio.c文件中的若干函数，在spi.c文件中完成对flash的若干操作。

表2 FatFs配置

图4 带有FatFs模块的典型架构

如图5所示，系统相关初始化及创建文件系统流程，本设计将SPI配置为模式3，APB总线时钟除以128，帧大小设置为8 bit[5]。

图5 系统相关初始化及创建文件系统

采用DMA方式对flash进行读和写。创建文件系统时，使用f_mount函数在FatFs模块注册一块文件系统对象工作区，使用f_getfree函数获得空闲簇数量，使用f_mkfs函数创建FAT文件系统。最后初始化并开启片上系统RTC，用于get_fattime函数，以得到当前时间。之后，便可以完成创建文件，重命名文件，复制文件等各种操作。整个操作通过串口进行命令输入，并打印出相关信息。最后成功创建了FAT12类型文件系统，簇大小4KB，整块flash作为一个扇区。

4 结语

本研究以SmartFusion片上系统芯片为核心，以spi flash作为存储媒介，移植了 FatFs，实现了用Cortex-M3微处理器对文件进行读写等功能。在数据量比较大的嵌入式系统中，嵌入 FatFs文件系统来管理数据会非常方便灵活，同时有利于降低成本，具有较为广阔的应用前景[6]。另外一方面，TFTP协议为小文件传输通信在嵌入式系统的应用提供了一个可行方案，使用网口来将电脑中的文件发送至flash，可以远程对设备进行升级[7]。

[1] ChaN.FatFs generic FAT file system module[EB/OL].(2013-01-23)[2013-05-11].http://elm-chan.org/fs w/ff/00index_e.html.

[2] Microsemi.SmartFusionCustomizable System-on-chip Datasheet[EB/OL].(2013-01-01)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smartfusion#documents.

[3] 孟惠霞,吕书勇.基于ARM的SD卡文件系统设计[J].通信技术,2009,42(07):135-136,150.

[4] Microsemi.SmartFusion microcontroller subsystem(MSS) user’s guide[EB/OL].(2012-09-01)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smar tfusion#documents.

[5] Microsemi.Accessing serial flash memory using SPI interface App Note[EB/OL].(2013-01-05)[2013-05-11].http://www.microsemi.com/fpga-soc/soc-fpga/smartfusion#documents.

[6] 董叶,陈小平.TFTP协议在LM3S6965上的移植和应用[J].通信技术,2011,44(08):89-90,105.

[7] 曾晓洋,吴敏,韩军,等.信息安全芯片 SoC平台及其应用[J].信息安全与通信保密,2005(07):358-360.