AT24C512中資料的檔案系統化管理論文
AT24C512中資料的檔案系統化管理論文
摘要：為方便微控制器對AT24C512中的資料進行系統化管理，在介紹AT24C512基本結構和工作原理的基礎上，按照PC機檔案管理的思想實現AT24C512的檔案系統，提高資料管理的效率。
關鍵詞：AT24C512 微控制器 檔案系統 資料管理
在由微控制器構成的資料採集系統及智慧儀器儀表當中，往往有大量資料要儲存。隨著測控系統數字化的發展，人們對資料儲存提出了更高的要求，因而用於儲存資料的儲存器容量也越來越大。但是，在增大資料儲存量的同時，人們也希望能更便捷高效地操作其中的資料（包括瀏覽、新增和刪除等），即像PC機上管理資料一樣簡單易行。然而，微控制器以及用於儲存資料的晶片本身並沒有提供這種功能，為此，需要開發一種用於管理微控制器資料的有效方法。本文在吸取PC機檔案管理思想的基礎上，以AT24C512為例，構造了一種類似於檔案系統的用於管理微控制器資料的方法，大大提高了資料操作的效率。
1 AT24C512介紹
AT24C512是Atmel公司生產的64KB序列電可擦的可程式設計儲存器，內部有512頁，每一頁為128位元組，任一單元的地址為16位，地址範圍為0000～0FFFFH。它採用8引腳封裝，具有結構緊湊、儲存容量大等特點，可以在2線總線上並接4片晶片，特別適用於具有大容量資料儲存要求的資料採集系統，因此在測控系統中被大量採用。
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。在序列匯流排結構中，如需連線4個AT24C512晶片，則可用A0、A1來區分各晶片。A0、A1懸空時為0。
②SDA——雙向序列資料輸入輸出口。用於儲存器與微控制器之間的資料交換。
③SCL——序列時鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的資料寫入儲存器，而在下降沿從儲存器讀出資料並送往SDA。
④WP——防寫輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作；與VCC相連時，所有的寫儲存器操作被禁止。如果不連，該腳將在晶片內部下拉到地。
⑤VCC——電源。
GND接地。NC懸空。
（1）與微控制器介面
由於AT24C512沿襲了AT24C系列的介面特性，因此與微控制器的連線也可沿襲傳統方法。一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接地微控制器的P1口，即可實現微控制器對AT24C512的操作。
（2）裝置選址
在對AT24C512開始操作前，需要先發一個8位的地址字來選擇晶片以進行讀寫。裝置地址字格式如圖2所示。其中“10100”為固定的5位二進位制；A0、A1用於對多個AT24C512加以區分；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的寫操作有寫位元組和寫頁兩種方式。寫位元組時通常在向AT24C512傳送裝置地址字並接到應答訊號後，還需要傳送2個8位地址來選擇要寫資料的地址。AT24C512接收到這個地址後會應答一個零訊號，然後接收8位資料進來，並再返回一個零應答訊號。
在寫頁方式時，AT24C512可以一次性寫入一頁128位元組。其初始化過程與寫位元組的方法基本相同。不同的是：當寫入一個數據位元組後，微控制器不發停止狀態，而是在應答訊號後接著輸入127個位元組；每一個位元組接收完畢後，AT24C512則照樣輸出一個零應答訊號。
（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，只是在裝置選擇字中的`最低位要改成讀而已。在當前地址讀操作方式時，內部資料的地址將保持在最後的讀寫操作地址加1上，直到讀到最後位元組後又回到最開始的位置。而隨機讀操作之前先要向AT24C512寫入一個位元組地址，然後才能讀。讀串操作既可以是當前地址讀，也可以是隨機地址讀。當微控制器接收到一個數據字後，會回應一個應答訊號。AT24C512在接收到應答訊號後會將地址加1，接著輸出下一個位元組。當微控制器接收到資料但不送應答訊號時，讀過程結束。
2 檔案系統構成
為了有效地管理AT24C512中的資料，筆者仿效PC機中的檔案管理機制，為AT24C512構造了一個簡單的檔案系統。考慮到測控系統的實時性要求和硬體資源的有限性，採用了二級樹形目錄組織。
為了管理資料方便 ，把AT24C512的物理空間劃分為1024個邏輯頁，每頁64位元組。按照檔案系統的需要，把AT24C512的全部空間劃分為三部分：資料區，佔用最後的960頁；頁面分配區，佔用中間的30頁；目錄區，佔用前面的24頁。
（1） 資料區
AT24C512最後面的960頁作為資料區，其序號從0開始編號。該區作為檔案資料的儲存區域，在存放檔案資料時，從該區內分配若干頁，每次儲存一頁。
（2）頁面分配區
頁面分配區記錄了資料區每一頁的分配情況。該區中每2位元組組成一個記錄項，共有960個記錄項（30×64/2）。記錄項從0開始編號，每一個記錄項對應著資料區相應頁的使用情況。
在實際應用中，一個檔案的資料往往大於64位元組，這樣一個檔案的資料區中需佔用多個頁。但隨著檔案的增刪，資料區的空閒空間出現不連續的狀況，因而資料區的分配並不能保證連續，而是根據當前資料區的使用情況來決定某一部分檔案內容應該放在哪一頁上。為了把這些分散的資料有機連線起來，把記錄項按照連結串列的形式組織起來，每個檔案對應著一個連結串列，連結串列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，最後一個記錄項的內容為0FFFFH，表示連結串列結束。把這些記錄項對應的頁面連線起來就構成了一個檔案的完整資料。
另外，如果記錄項的內容為0EEEEH，表示其對應的資料頁未分配。
（3）目錄區
目錄區用來儲存檔案的主要資訊。根據這些資訊可以知道檔名、檔案生成的日期以及檔案的資料在資料區中的儲存首地址。檔案目錄項的結構如下：
①檔名。檔名由4位元組雙BCD碼構成，在生成該檔案時由鍵盤輸入數字（硬體上鍵盤只提供了數字鍵）作為檔名，並由程式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位元組單BCD碼供顯示。
②檔案生成日期。佔用4位元組，按照雙BCD碼的格式儲存，如20H、04H，03H、20H則表示2004年3月20日。日期可由鍵盤輸入或透過時鐘晶片獲取。
③檔案首地址。指示在給該檔案分配空間進，分配給它的第一個資料頁的序號，即它對應的連結串列的第一個記錄項的編號。
目錄區共佔用24頁。由於每個檔案資訊只佔用10位元組，則在此檔案系統中，最多可儲存153（24×64/10）個檔案。目錄區、頁面分配區和資料區的邏輯關係如圖3所示。
以圖3為例，說明該檔案系統如何獲取檔案資料：
①在目錄區中根據檔名找到包含該檔名的目錄項，從而獲取該檔案的屬性及其首地址。如檔案“00000103”的日期為2003年11月24日，其首地址為0005H。
②根據檔案的首地址，在頁面分配區中找到該記錄項0005H。在該記錄項中儲存的值為0007H，可知該檔案的下一記錄項為0007H。
③同理，可得到檔案的後續記錄項為0008H、0009H、000BH，直到從000BH記錄項中讀到0FFFFH。此時表示這是最後一項，不需再繼續找後繼項了。
④至此，可知檔案“00000103”的資料分為5部分儲存在資料區中，分別儲存在0005H、0007H、0008H、0009H、000BH頁中。只要按序
到資料中讀取這些中的資料，並連線起來，就形成了該檔案的全部資料。
⑤同理，檔案“00000001”在資料區中使用了0002H和0003H兩頁，檔案“00015671”只使用了資料區第000AH頁。
3 系統程式設計
按照上述的檔案系統結構，系統可透過目錄區和頁面分配區對AT24C512的全部資料實時檔案化管理。在管理過程中，最主要的操作是新增檔案和刪除檔案。
（1）新增檔案
新增檔案的主要工作是為新檔案尋找儲存空間，其尋找步驟如下：
①在目錄區中尋找空位置。若目錄區已經存滿（最多存153個檔案），則向用戶報告並中止程式；否則，記錄該位置（記為MyFile）。
②計算檔案資料需佔用的頁面數，記為My Page。
③在頁面分配區中尋找並統計標誌為空的記錄項，其內容為0EEEEH。若其數目小於MyPage，則向用戶報告，並中止程式。
④在MyFileA位置填寫檔名和日期，並把找到的第一個空記錄項的序號填入，作為該檔案的首地址。
⑤依次在找到的空記錄項內填入下一空記錄項的序號，最後一個空記錄項填入0FFFFH。
⑥從檔案首地址開始，按照檔案連結串列依次把資料寫入資料區相應的頁。
（2）刪除檔案
刪除檔案的主要工作是回收該檔案所佔用的空間，以便將來分配給其它檔案。
①在目錄區中尋找到該檔案，提取出其首地址，記錄First。隨後，把該檔案所佔用的目錄區的首位元組清為0FFH，表示該目錄項空閒。
②在頁面分配區中找到First記錄項，撮出其內容，記為Next。隨後，把First記錄項的內容改寫為0EEEEH。
③First=Next，重複②，直至Next=0FFFFH。
由新增檔案可以看出，在搜尋空間時，只對目錄區和頁面分配區操作，因此，刪除檔案時，只需要釋放目錄和頁面分配區即可，而不需要修改資料區。這大大提高了刪除的效率。
（3）系統格式化
系統格式化的目的是把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把目錄區全部寫為0FFH，以清空目錄區中所有資料；
②把頁面分配區的所有記錄項寫為0EEEEH，標誌它們全部未使用。
注：檔案系統程式原始碼見網站：www.dpj.com.cn。
4 效能比較
在大多數系統中，AT24C512中的資料儲存都是要用順序儲存法：每次儲存資料時都是按照先後順序依次寫入資料空間。本文所述方法與順序儲存法相比，具有下列優點：
①儲存時操作簡單。在順序儲存中，尋找空閒空間需要逐次讀出已經儲存的資料，直到找到空閒空間為止，資料操作量大。本文所述方法只需要讀取目錄區和頁面分配區即可，搜尋空閒空間的效率高。
②刪除資料簡單。在順序儲存中，為了定位到需要刪除的資料，必須逐次讀出儲存的資料，直到找到需要刪除物資料，再把該空閒改寫為未用狀態。本文所述方法只需要修改目錄區和頁面分配區即可，不僅定位資料快，而且修改的工作量很小。
③實現了資料空間的回收。順序儲存法中，在刪除的某次資料後，該資料所佔用的空間可能無法回收使用。因為回收的空間會形成碎片：該空間前後都儲存有資料，但該空間的長度無法滿足一個更大長度的資料。本文所述方法利用連結串列分配儲存空間，允許一個檔案的資料非連續在座，回收的空間可以自由使用。
④透過讀取目錄區，使用者可以大致知道該檔案中儲存的是什麼資料，而順序儲存法卻無法提供這些資訊。
5 結論
為了實現實時測控系統資料的高效管理，按照PC機檔案系統的思想，對測控系統中的AT24C512設計了一個簡單的檔案系統，包括系統格式化、新增檔案、刪除檔案等功能，在大資料量的測控系統中得到了成功應用。該檔案系統稍加修改就可應用於不同容量的儲存晶片，具有廣泛的應用價值。