AT24C512中數據的文件系統(tǒng)化管理

摘要：為方便單片機對AT24C512中的數據進行系統(tǒng)化管理，在介紹AT24C512基本結構和工作原理的基礎上，按照PC機文件管理的思想實現 AT24C512的文件系統(tǒng)，提高數據管理的效率。 關鍵詞：AT24C512 單片機 文件系統(tǒng) 數據管理 在由單片機構成的數據采集系統(tǒng)及智能儀器儀表當中，往往有大量數據要保存。隨著測控系統(tǒng)數字化的發(fā)展，人們對數據存儲提出了更高的要求，因而用于存儲數據的存儲器容量也越來越大。但是，在增大數據存儲量的同時，人們也希望能更便捷高效地操作其中的數據(包括瀏覽、添加和刪除等)，即像PC機上管理數據一樣簡單易行。然而，單片機以及用于保存數據的芯片本身并沒有提供這種功能，為此，需要開發(fā)一種用于管理單片機數據的有效方法。本文在吸取PC機文件管理思想的基礎上，以AT24C512為例，構造了一種類似于文件系統(tǒng)的用于管理單片機數據的方法，大大提高了數據操作的效率。 1 AT24C512介紹 AT24C512是Atmel公司生產的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內部有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為 0000～0FFFFH。它采用8引腳封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點，可以在2線總線上并接4片芯片，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統(tǒng)，因此在測控系統(tǒng)中被大量采用。 AT24C512的封裝如圖1所示，各引腳的功能如下： ①A0、A1——地址選擇輸入端。在串行總線結構中，如需連接4個AT24C512芯片，則可用A0、A1來區(qū)分各芯片。A0、A1懸空時為0。 ②SDA——雙向串行數據輸入輸出口。用于存儲器與單片機之間的數據交換。 ③SCL——串行時鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的數據寫入存儲器，而在下降沿從存儲器讀出數據并送往SDA。 ④WP——寫保護輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作;與VCC相連時，所有的寫存儲器操作被禁止。如果不連，該腳將在芯片內部下拉到地。 ⑤VCC——電源。

GND接地。NC懸空。 (1)與單片機接口 由于AT24C512沿襲了AT24C系列的接口特性，因此與單片機的連接也可沿襲傳統(tǒng)方法。一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接地單片機的P1口，即可實現單片機對AT24C512的操作。 (2)設備選址 在對AT24C512開始操作前，需要先發(fā)一個8位的地址字來選擇芯片以進行讀寫。設備地址字格式如圖2所示。其中“10100”為固定的5位二進制;A0、A1用于對多個AT24C512加以區(qū)分;R/W為讀寫操作位，為1時表示讀操作，為0時表示寫操作。 (3)寫操作 AT24C512的寫操作有寫字節(jié)和寫頁兩種方式。寫字節(jié)時通常在向AT24C512發(fā)送設備地址字并接到應答信號后，還需要發(fā)送2個8位地址來選擇要寫數據的地址。AT24C512接收到這個地址后會應答一個零信號，然后接收8位數據進來，并再返回一個零應答信號。 在寫頁方式時，AT24C512可以一次性寫入一頁128字節(jié)。其初始化過程與寫字節(jié)的方法基本相同。不同的是：當寫入一個數據字節(jié)后，單片機不發(fā)停止狀態(tài)，而是在應答信號后接著輸入127個字節(jié);每一個字節(jié)接收完畢后，AT24C512則照樣輸出一個零應答信號。 (4)讀操作 讀操作有當前地址讀、隨機讀、讀串三種方式。其初始化過程基本與寫操作相同，只是在設備選擇字中的最低位要改成讀而已。在當前地址讀操作方式時，內部數據的地址將保持在最后的讀寫操作地址加1上，直到讀到最后字節(jié)后又回到最開始的位置。而隨機讀操作之前先要向AT24C512寫入一個字節(jié)地址，然后才能讀。讀串操作既可以是當前地址讀，也可以是隨機地址讀。當單片機接收到一個數據字后，會回應一個應答信號。AT24C512在接收到應答信號后會將地址加 1，接著輸出下一個字節(jié)。當單片機接收到數據但不送應答信號時，讀過程結束。 2 文件系統(tǒng)構成 為了有效地管理AT24C512中的數據，筆者仿效PC機中的文件管理機制，為AT24C512構造了一個簡單的文件系統(tǒng)?？紤]到測控系統(tǒng)的實時性要求和硬件資源的有限性，采用了二級樹形目錄組織。 為了管理數據方便 ，把AT24C512的物理空間劃分為1024個邏輯頁，每頁64字節(jié)。按照文件系統(tǒng)的需要，把AT24C512的全部空間劃分為三部分：數據區(qū)，占用最后的960頁;頁面分配區(qū)，占用中間的30頁;目錄區(qū)，占用前面的24頁。 (1) 數據區(qū) AT24C512最后面的960頁作為數據區(qū)，其序號從0開始編號。該區(qū)作為文件數據的存儲區(qū)域，在存放文件數據時，從該區(qū)內分配若干頁，每次存儲一頁。 (2)頁面分配區(qū) 頁面分配區(qū)記錄了數據區(qū)每一頁的分配情況。該區(qū)中每2字節(jié)組成一個記錄項，共有960個記錄項(30%26;#215;64/2)。記錄項從0開始編號，每一個記錄項對應著數據區(qū)相應頁的使用情況。

在實際應用中，一個文件的數據往往大于64字節(jié)，這樣一個文件的數據區(qū)中需占用多個頁。但隨著文件的增刪，數據區(qū)的空閑空間出現不連續(xù)的狀況，因而數據區(qū)的分配并不能保證連續(xù)，而是根據當前數據區(qū)的使用情況來決定某一部分文件內容應該放在哪一頁上。為了把這些分散的數據有機連接起來，把記錄項按照鏈表的形式組織起來，每個文件對應著一個鏈表，鏈表中每個結點為一個記錄項，記錄項的內容為下一個記錄項的編號，最后一個記錄項的內容為0FFFFH，表示鏈表結束。把這些記錄項對應的頁面連接起來就構成了一個文件的完整數據。 另外，如果記錄項的內容為0EEEEH，表示其對應的數據頁未分配。 (3)目錄區(qū) 目錄區(qū)用來存儲文件的主要信息。根據這些信息可以知道文件名、文件生成的日期以及文件的數據在數據區(qū)中的存儲首地址。文件目錄項的結構如下： ①文件名。文件名由4字節(jié)雙BCD碼構成，在生成該文件時由鍵盤輸入數字(硬件上鍵盤只提供了數字鍵)作為文件名，并由程序自動把它們轉換成雙BCD碼。在需要顯示時，再把它們分解成8字節(jié)單BCD碼供顯示。 ②文件生成日期。占用4字節(jié)，按照雙BCD碼的格式存儲，如20H、04H，03H、20H則表示2004年3月20日。日期可由鍵盤輸入或通過時鐘芯片獲取。 ③文件首地址。指示在給該文件分配空間進，分配給它的第一個數據頁的序號，即它對應的鏈表的第一個記錄項的編號。 目錄區(qū)共占用24頁。由于每個文件信息只占用10字節(jié)，則在此文件系統(tǒng)中，最多可存儲153(24%26;#215;64/10)個文件。目錄區(qū)、頁面分配區(qū)和數據區(qū)的邏輯關系如圖3所示。 以圖3為例，說明該文件系統(tǒng)如何獲取文件數據： ①在目錄區(qū)中根據文件名找到包含該文件名的目錄項，從而獲取該文件的屬性及其首地址。如文件“00000103”的日期為2003年11月24日，其首地址為0005H。 ②根據文件的首地址，在頁面分配區(qū)中找到該記錄項0005H。在該記錄項中存儲的值為0007H，可知該文件的下一記錄項為0007H。 ③同理，可得到文件的后續(xù)記錄項為0008H、0009H、000BH，直到從000BH記錄項中讀到0FFFFH。此時表示這是最后一項，不需再繼續(xù)找后繼項了。 ④至此，可知文件“00000103”的數據分為5部分存儲在數據區(qū)中，分別存儲在0005H、0007H、0008H、0009H、000BH頁中。只要按序到數據中讀取這些中的數據，并連接起來，就形成了該文件的全部數據。 ⑤同理，文件“00000001”在數據區(qū)中使用了0002H和0003H兩頁，文件“00015671”只使用了數據區(qū)第000AH頁。 3 系統(tǒng)程序設計 按照上述的文件系統(tǒng)結構，系統(tǒng)可通過目錄區(qū)和頁面分配區(qū)對AT24C512的全部數據實時文件化管理。在管理過程中，最主要的操作是添加文件和刪除文件。 (1)添加文件 添加文件的主要工作是為新文件尋找存儲空間，其尋找步驟如下： ①在目錄區(qū)中尋找空位置。若目錄區(qū)已經存滿(最多存153個文件)，則向用戶報告并中止程序;否則，記錄該位置(記為MyFile)。 ②計算文件數據需占用的頁面數，記為My Page。 ③在頁面分配區(qū)中尋找并統(tǒng)計標志為空的記錄項，其內容為0EEEEH。若其數目小于MyPage，則向用戶報告，并中止程序。 ④在MyFileA位置填寫文件名和日期，并把找到的第一個空記錄項的序號填入，作為該文件的首地址。 ⑤依次在找到的空記錄項內填入下一空記錄項的序號，最后一個空記錄項填入0FFFFH。 ⑥從文件首地址開始，按照文件鏈表依次把數據寫入數據區(qū)相應的頁。 (2)刪除文件 刪除文件的主要工作是回收該文件所占用的空間，以便將來分配給其它文件。 ①在目錄區(qū)中尋找到該文件，提取出其首地址，記錄First。隨后，把該文件所占用的目錄區(qū)的首字節(jié)清為0FFH，表示該目錄項空閑。 ②在頁面分配區(qū)中找到First記錄項，撮出其內容，記為Next。隨后，把First記錄項的內容改寫為0EEEEH。 ③First=Next，重復②，直至Next=0FFFFH。 圖3 由添加文件可以看出，在搜索空間時，只對目錄區(qū)和頁面分配區(qū)操作，因此，刪除文件時，只需要釋放目錄和頁面分配區(qū)即可，而不需要修改數據區(qū)。這大大提高了刪除的效率。 (3)系統(tǒng)格式化 系統(tǒng)格式化的目的是把AT24C512按照前面所述的格式進行初始化，以正確反映目前的使用狀況。格式化的主要工作包括： ①把目錄區(qū)全部寫為0FFH，以清空目錄區(qū)中所有數據; ②把頁面分配區(qū)的所有記錄項寫為0EEEEH，標志它們全部未使用。 注：文件系統(tǒng)程序源代碼見網站：www.dpj.com.cn。 4 性能比較 在大多數系統(tǒng)中，AT24C512中的數據存儲都是要用順序存儲法：每次存儲數據時都是按照先后順序依次寫入數據空間。本文所述方法與順序存儲法相比，具有下列優(yōu)點： ①存儲時操作簡單。在順序存儲中，尋找空閑空間需要逐次讀出已經存儲的數據，直到找到空閑空間為止，數據操作量大。本文所述方法只需要讀取目錄區(qū)和頁面分配區(qū)即可，搜索空閑空間的效率高。 ②刪除數據簡單。在順序存儲中，為了定位到需要刪除的數據，必須逐次讀出存儲的數據，直到找到需要刪除物數據，再把該空閑改寫為未用狀態(tài)。本文所述方法只需要修改目錄區(qū)和頁面分配區(qū)即可，不僅定位數據快，而且修改的工作量很小。 ③實現了數據空間的回收。順序存儲法中，在刪除的某次數據后，該數據所占用的空間可能無法回收使用。因為回收的空間會形成碎片：該空間前后都存儲有數據，但該空間的長度無法滿足一個更大長度的數據。本文所述方法利用鏈表分配存儲空間，允許一個文件的數據非連續(xù)在座，回收的空間可以自由使用。 ④通過讀取目錄區(qū)，用戶可以大致知道該文件中存儲的是什么數據，而順序存儲法卻無法提供這些信息。 5 結論 為了實現實時測控系統(tǒng)數據的高效管理，按照PC機文件系統(tǒng)的思想，對測控系統(tǒng)中的AT24C512設計了一個簡單的文件系統(tǒng)，包括系統(tǒng)格式化、添加文件、刪除文件等功能，在大數據量的測控系統(tǒng)中得到了成功應用。該文件系統(tǒng)稍加修改就可應用于不同容量的存儲芯片，具有廣泛的應用價值。