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System ACE的DSP文件系统设计解析
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2017-10-31
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引 言
目前，对图像处理系统的速度和精度要求越来越高，采样的数据量也越来越大。而嵌入式系统中的硬件资源环境一般比较苛刻，嵌入式微处理器和微控制器的内存一般都不大。为了能够实现DSP（Digital Signal Processing）系统的独立运行，需要大容量的存储介质用于保存采样结果。但是板载的Flash等容量通常不大，SDRAM掉电后数据会丢失，并且它们无法方便地把数据转移到计算机主机上。闪存技术的不断发展，使得闪存卡（如CF卡、SD卡等）因其体积小、容量大、可靠性高等优点而在嵌入式存储领域得到越来越广泛的应用。因此，本文介绍一种使用CF卡作为数据存储介质存储大量数据的方法。FAT16文件系统具有出色的文件管理性能，能被大多数操作系统识别，因此将CF卡与FAT16文件系统相结合是嵌入式存储、记录系统的一个理想方案。
1 System ACE原理
1.1 System ACE简介
System ACE（System Advanced Configuration Environment）是Xilinx公司开发的系统高级配置系列，用以满足面向多个FPGA的系统对高效空间、预置、高密度配置需求的解决方案。System ACE技术是一种突破性的系统内可配置的解决方案，大幅节省了开发工作；与传统的PROM相比，每比特成本也大大降低。System ACE技术是高容量FPGA系统的嵌入式解决方案。
System ACE系列把xilinx配置控制的专业技术和专注于存储的产业结合在一起，它的第1个成员是SystemACE CF（CompactFlash）。
System ACE CF是1个芯片集，由2部分组成：一个是ACE控制器，另一个就是用于存储的CF卡。
1.2 ACE控制器
如图1所示，ACE控制器有4个接口，分别用来连接CF（CompactFlash）、MPU（Microprocessor）、用于连接FPGA的CFGJTAG（Configration JTAG）、允许高度灵活配置的TSTJTAG（Test JTAG）。下面着重介绍CF卡接口和MPU接口。
1.3 CF卡接口
CF卡接口可以连接的CF卡类型有Xilinx ACEFlash卡、任意标准的CF卡、高达8 Gb的IBM微型硬盘，以及所有有相同外形和电路板空间需求的存储卡。
CF卡接口由2部分组成：一是CF卡控制器，二是CF卡仲裁器。CF卡控制器不仅用来检测和维护CF卡设备的状态，而且还处理所有的CF设备的访问总线周期及提炼和执行CF命令（如软复位、读／写段）等。CF卡仲裁器决定微处理器和配置JTAG控制器哪一个来访问CF卡的数据缓冲。
1.4 MPU接口
MPU接口功能：
◆MPU接口提供了监控System ACE控制器和ACE Flash读写数据的功能。
◆MPU接口能够识别CF卡并对CF卡进行读写。
◆MPU接口能够控制配置流，包括监控ACE控制器的配置状态和错误状态，还能延时配置、开始配置、决定CF卡或MPU的配置源，控制比特流版本以及复位设备等。
本文就是利用ACE控制器的MPU接口，在该接口处连接DSP芯片，并通过CF卡为DSP加载文件系统。
1.5 System ACE的文件和目录
．ACE是在目录结构的最底层。Xilinx的SystemACE软件能够将比特流转换为．ACE文件。1个．ACE文件代表特定设备链的比特流。
．collection是目录结构中紧挨着．ACE的上一层，由8个．ACE组成。在System ACE环境下，同一．collection下的所有．ACE文件都可以处理。
在1个CF卡设备中有多个collection，但在任意一时问只能有1个被激活，至于哪一个被操作是通过xilinx．sys文件来决定的。xilinx．sys文件在ACE Flash设备的根目录下。ACE控制器能够解析xilinx．sys文件。若根目录下面没有xilinx．sys文件，则必须有1个．ACE文件来充当此角色。
System ACE目录结构的分层设计使得它能够维护多个版本或者是不同设计的collection。每一个collection目录可以有1个或者多个不同的子目录。每一个子目录只能包含1个．ACE文件。
Sysrem ACE目录结构的规则如下：
◆Sysrem ACE配置文件必须放在CF卡设备的第1分区。
◆Sysrem ACE分区必须被格式化为FAT12或者FAT16格式。
◆xilinx．sys必须在根目录下。当xilinx．sys不存在时，根目录下必须有1个．ACE来充当此角色。
2 CF卡原理
CF（Compact Flash）卡是以闪存为存储，具有容量大（512 MB）、功耗低和可靠性高等优点，得到广泛的应用。CF卡读写的最小单位为1个扇区（512字节），读写操作是通过卡内缓冲区进行的，不支持直接读写存储区域。
CF卡可以工作在3种模式：PC Card Memory（Memory模式），PC Card I／O（I／O模式）和True IDE模式。PCCARD模式与PCMCIA标准兼容。TRUE IDE模式与ATA／ATAPI-4标准兼容。当上电时，如果OE接地，则进入True IDE模式，在此模式下只可以存取任务寄存器。另外2种模式需要通过设备结构寄存器来选择。
CF卡的操作方式与硬盘的操作方式相似。CF卡读写必须以扇区为单位，每个扇区为512字节，每次可以读写1个扇区或连续多个扇区。扇区的寻址方式有2种：逻辑寻址（LBA）和物理寻址（CHS），它们之间的关系为：
LBA=（柱面号×磁头数+磁头号）×扇区数+扇区数-1
寻址方式采用LBA（Logic Block Address），该方式将全部扇区映射至1块连续的地址空间中，这样可以大大简化编程的工作，同时避免了柱面、磁头和扇区之间的换算，使寻址更方便。对CF卡的配置及各种操作，如读写、删除、格式化等，都通过写特殊功能寄存器完成。
目前，对图像处理系统的速度和精度要求越来越高，采样的数据量也越来越大。而嵌入式系统中的硬件资源环境一般比较苛刻，嵌入式微处理器和微控制器的内存一般都不大。为了能够实现DSP（Digital Signal Processing）系统的独立运行，需要大容量的存储介质用于保存采样结果。但是板载的Flash等容量通常不大，SDRAM掉电后数据会丢失，并且它们无法方便地把数据转移到计算机主机上。闪存技术的不断发展，使得闪存卡（如CF卡、SD卡等）因其体积小、容量大、可靠性高等优点而在嵌入式存储领域得到越来越广泛的应用。因此，本文介绍一种使用CF卡作为数据存储介质存储大量数据的方法。FAT16文件系统具有出色的文件管理性能，能被大多数操作系统识别，因此将CF卡与FAT16文件系统相结合是嵌入式存储、记录系统的一个理想方案。
1 System ACE原理
1.1 System ACE简介
System ACE（System Advanced Configuration Environment）是Xilinx公司开发的系统高级配置系列，用以满足面向多个FPGA的系统对高效空间、预置、高密度配置需求的解决方案。System ACE技术是一种突破性的系统内可配置的解决方案，大幅节省了开发工作；与传统的PROM相比，每比特成本也大大降低。System ACE技术是高容量FPGA系统的嵌入式解决方案。
System ACE系列把xilinx配置控制的专业技术和专注于存储的产业结合在一起，它的第1个成员是SystemACE CF（CompactFlash）。
System ACE CF是1个芯片集，由2部分组成：一个是ACE控制器，另一个就是用于存储的CF卡。
1.2 ACE控制器
如图1所示，ACE控制器有4个接口，分别用来连接CF（CompactFlash）、MPU（Microprocessor）、用于连接FPGA的CFGJTAG（Configration JTAG）、允许高度灵活配置的TSTJTAG（Test JTAG）。下面着重介绍CF卡接口和MPU接口。
1.3 CF卡接口
CF卡接口可以连接的CF卡类型有Xilinx ACEFlash卡、任意标准的CF卡、高达8 Gb的IBM微型硬盘，以及所有有相同外形和电路板空间需求的存储卡。
CF卡接口由2部分组成：一是CF卡控制器，二是CF卡仲裁器。CF卡控制器不仅用来检测和维护CF卡设备的状态，而且还处理所有的CF设备的访问总线周期及提炼和执行CF命令（如软复位、读／写段）等。CF卡仲裁器决定微处理器和配置JTAG控制器哪一个来访问CF卡的数据缓冲。
1.4 MPU接口
MPU接口功能：
◆MPU接口提供了监控System ACE控制器和ACE Flash读写数据的功能。
◆MPU接口能够识别CF卡并对CF卡进行读写。
◆MPU接口能够控制配置流，包括监控ACE控制器的配置状态和错误状态，还能延时配置、开始配置、决定CF卡或MPU的配置源，控制比特流版本以及复位设备等。
本文就是利用ACE控制器的MPU接口，在该接口处连接DSP芯片，并通过CF卡为DSP加载文件系统。
1.5 System ACE的文件和目录
．ACE是在目录结构的最底层。Xilinx的SystemACE软件能够将比特流转换为．ACE文件。1个．ACE文件代表特定设备链的比特流。
．collection是目录结构中紧挨着．ACE的上一层，由8个．ACE组成。在System ACE环境下，同一．collection下的所有．ACE文件都可以处理。
在1个CF卡设备中有多个collection，但在任意一时问只能有1个被激活，至于哪一个被操作是通过xilinx．sys文件来决定的。xilinx．sys文件在ACE Flash设备的根目录下。ACE控制器能够解析xilinx．sys文件。若根目录下面没有xilinx．sys文件，则必须有1个．ACE文件来充当此角色。
System ACE目录结构的分层设计使得它能够维护多个版本或者是不同设计的collection。每一个collection目录可以有1个或者多个不同的子目录。每一个子目录只能包含1个．ACE文件。
Sysrem ACE目录结构的规则如下：
◆Sysrem ACE配置文件必须放在CF卡设备的第1分区。
◆Sysrem ACE分区必须被格式化为FAT12或者FAT16格式。
◆xilinx．sys必须在根目录下。当xilinx．sys不存在时，根目录下必须有1个．ACE来充当此角色。
2 CF卡原理
CF（Compact Flash）卡是以闪存为存储，具有容量大（512 MB）、功耗低和可靠性高等优点，得到广泛的应用。CF卡读写的最小单位为1个扇区（512字节），读写操作是通过卡内缓冲区进行的，不支持直接读写存储区域。
CF卡可以工作在3种模式：PC Card Memory（Memory模式），PC Card I／O（I／O模式）和True IDE模式。PCCARD模式与PCMCIA标准兼容。TRUE IDE模式与ATA／ATAPI-4标准兼容。当上电时，如果OE接地，则进入True IDE模式，在此模式下只可以存取任务寄存器。另外2种模式需要通过设备结构寄存器来选择。
CF卡的操作方式与硬盘的操作方式相似。CF卡读写必须以扇区为单位，每个扇区为512字节，每次可以读写1个扇区或连续多个扇区。扇区的寻址方式有2种：逻辑寻址（LBA）和物理寻址（CHS），它们之间的关系为：
LBA=（柱面号×磁头数+磁头号）×扇区数+扇区数-1
寻址方式采用LBA（Logic Block Address），该方式将全部扇区映射至1块连续的地址空间中，这样可以大大简化编程的工作，同时避免了柱面、磁头和扇区之间的换算，使寻址更方便。对CF卡的配置及各种操作，如读写、删除、格式化等，都通过写特殊功能寄存器完成。
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