AT24C512中數據的文件系統化管理論文
摘要：為方便單片機對AT24C512中的數據進(jìn)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機文件管理的思想實(shí)現AT24C512的文件系統，提高數據管理的效率。
關(guān)鍵詞：AT24C512 單片機 文件系統 數據管理
在由單片機構成的數據采集系統及智能儀器儀表當中，往往有大量數據要保存。隨著(zhù)測控系統數字化的發(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(lái)越大。但是，在增大數據存儲量的同時(shí)，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(jiǎn)單易行。然而，單片機以及用于保存數據的芯片本身并沒(méi)有提供這種功能，為此，需要開(kāi)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(lèi)似于文件系統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(chǎn)的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內部有512頁(yè)，每一頁(yè)為128字節，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(diǎn)，可以在2線(xiàn)總線(xiàn)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，因此在測控系統中被大量采用。
AT24C512的封裝如圖1所示，各引腳的功能如下：
�、貯0、A1——地址選擇輸入端。在串行總線(xiàn)結構中，如需連接4個(gè)AT24C512芯片，則可用A0、A1來(lái)區分各芯片。A0、A1懸空時(shí)為0。
�、赟DA——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。
�、跾CL——串行時(shí)鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的數據寫(xiě)入存儲器，而在下降沿從存儲器讀出數據并送往SDA。
�、躓P——寫(xiě)保護輸入。此引腳與地相連時(shí)，允許寫(xiě)操作；與VCC相連時(shí)，所有的寫(xiě)存儲器操作被禁止。如果不連，該腳將在芯片內部下拉到地。
�、軻CC——電源。
GND接地。NC懸空。
�。�1）與單片機接口
由于A(yíng)T24C512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方法。一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接地單片機的P1口，即可實(shí)現單片機對AT24C512的操作。
�。�2）設備選址
在對AT24C512開(kāi)始操作前，需要先發(fā)一個(gè)8位的地址字來(lái)選擇芯片以進(jìn)行讀寫(xiě)。設備地址字格式如圖2所示。其中“10100”為固定的5位二進(jìn)制；A0、A1用于對多個(gè)AT24C512加以區分；R/W為讀寫(xiě)操作位，為1時(shí)表示讀操作，為0時(shí)表示寫(xiě)操作。
�。�3）寫(xiě)操作
AT24C512的寫(xiě)操作有寫(xiě)字節和寫(xiě)頁(yè)兩種方式。寫(xiě)字節時(shí)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(gè)8位地址來(lái)選擇要寫(xiě)數據的地址。AT24C512接收到這個(gè)地址后會(huì )應答一個(gè)零信號，然后接收8位數據進(jìn)來(lái)，并再返回一個(gè)零應答信號。
在寫(xiě)頁(yè)方式時(shí)，AT24C512可以一次性寫(xiě)入一頁(yè)128字節。其初始化過(guò)程與寫(xiě)字節的方法基本相同。不同的是：當寫(xiě)入一個(gè)數據字節后，單片機不發(fā)停止狀態(tài)，而是在應答信號后接著(zhù)輸入127個(gè)字節；每一個(gè)字節接收完畢后，AT24C512則照樣輸出一個(gè)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(guò)程基本與寫(xiě)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(shí)，內部數據的地址將保持在最后的讀寫(xiě)操作地址加1上，直到讀到最后字節后又回到最開(kāi)始的位置。而隨機讀操作之前先要向AT24C512寫(xiě)入一個(gè)字節地址，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(gè)數據字后，會(huì )回應一個(gè)應答信號。AT24C512在接收到應答信號后會(huì )將地址加1，接著(zhù)輸出下一個(gè)字節。當單片機接收到數據但不送應答信號時(shí)，讀過(guò)程結束。
2 文件系統構成
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(gè)簡(jiǎn)單的文件系統�？紤]到測控系統的實(shí)時(shí)性要求和硬件資源的有限性，采用了二級樹(shù)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(gè)邏輯頁(yè)，每頁(yè)64字節。按照文件系統的需要，把AT24C512的全部空間劃分為三部分：數據區，占用最后的960頁(yè)；頁(yè)面分配區，占用中間的30頁(yè)；目錄區，占用前面的24頁(yè)。
�。�1） 數據區
AT24C512最后面的960頁(yè)作為數據區，其序號從0開(kāi)始編號。該區作為文件數據的存儲區域，在存放文件數據時(shí)，從該區內分配若干頁(yè)，每次存儲一頁(yè)。
�。�2）頁(yè)面分配區
頁(yè)面分配區記錄了數據區每一頁(yè)的分配情況。該區中每2字節組成一個(gè)記錄項，共有960個(gè)記錄項（30×64/2）。記錄項從0開(kāi)始編號，每一個(gè)記錄項對應著(zhù)數據區相應頁(yè)的使用情況。
在實(shí)際應用中，一個(gè)文件的數據往往大于64字節，這樣一個(gè)文件的數據區中需占用多個(gè)頁(yè)。但隨著(zhù)文件的增刪，數據區的空閑空間出現不連續的狀況，因而數據區的分配并不能保證連續，而是根據當前數據區的使用情況來(lái)決定某一部分文件內容應該放在哪一頁(yè)上。為了把這些分散的數據有機連接起來(lái)，把記錄項按照鏈表的形式組織起來(lái)，每個(gè)文件對應著(zhù)一個(gè)鏈表，鏈表中每個(gè)結點(diǎn)為一個(gè)記錄項，記錄項的內容為下一個(gè)記錄項的編號，最后一個(gè)記錄項的內容為0FFFFH，表示鏈表結束。把這些記錄項對應的頁(yè)面連接起來(lái)就構成了一個(gè)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(yè)未分配。
�。�3）目錄區
目錄區用來(lái)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中的存儲首地址。文件目錄項的結構如下：
�、傥募�。文件名由4字節雙BCD碼構成，在生成該文件時(shí)由鍵盤(pán)輸入數字（硬件上鍵盤(pán)只提供了數字鍵）作為文件名，并由程序自動(dòng)把它們轉換成雙BCD碼。在需要顯示時(shí)，再把它們分解成8字節單BCD碼供顯示。
�、谖募扇掌�。占用4字節，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(pán)輸入或通過(guò)時(shí)鐘芯片獲取。
�、畚募椎刂�。指示在給該文件分配空間進(jìn)，分配給它的第一個(gè)數據頁(yè)的序號，即它對應的鏈表的第一個(gè)記錄項的編號。
目錄區共占用24頁(yè)。由于每個(gè)文件信息只占用10字節，則在此文件系統中，最多可存儲153（24×64/10）個(gè)文件。目錄區、頁(yè)面分配區和數據區的邏輯關(guān)系如圖3所示。
以圖3為例，說(shuō)明該文件系統如何獲取文件數據：
�、僭谀夸泤^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。
�、诟鶕募氖椎刂�，在頁(yè)面分配區中找到該記錄項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。
�、弁�，可得到文件的后續記錄項為0008H、0009H、000BH，直到從000BH記錄項中讀到0FFFFH。此時(shí)表示這是最后一項，不需再繼續找后繼項了。
�、苤链�，可知文件“00000103”的數據分為5部分存儲在數據區中，分別存儲在0005H、0007H、0008H、0009H、000BH頁(yè)中。只要按序
到數據中讀取這些中的數據，并連接起來(lái)，就形成了該文件的全部數據。
�、萃�，文件“00000001”在數據區中使用了0002H和0003H兩頁(yè)，文件“00015671”只使用了數據區第000AH頁(yè)。
3 系統程序設計
按照上述的文件系統結構，系統可通過(guò)目錄區和頁(yè)面分配區對AT24C512的全部數據實(shí)時(shí)文件化管理。在管理過(guò)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：
�、僭谀夸泤^中尋找空位置。若目錄區已經(jīng)存滿(mǎn)（最多存153個(gè)文件），則向用戶(hù)報告并中止程序；否則，記錄該位置（記為MyFile）。
�、谟嬎阄募䲠祿枵加玫捻�(yè)面數，記為My Page。
�、墼陧�(yè)面分配區中尋找并統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(hù)報告，并中止程序。
�、茉贛yFileA位置填寫(xiě)文件名和日期，并把找到的第一個(gè)空記錄項的序號填入，作為該文件的首地址。
�、菀来卧谡业降目沼涗涰梼忍钊胂乱豢沼涗涰椀男蛱�，最后一個(gè)空記錄項填入0FFFFH。
�、迯奈募椎刂烽_(kāi)始，按照文件鏈表依次把數據寫(xiě)入數據區相應的頁(yè)。
�。�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(lái)分配給其它文件。
�、僭谀夸泤^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的首字節清為0FFH，表示該目錄項空閑。
�、谠陧�(yè)面分配區中找到First記錄項，撮出其內容，記為Next。隨后，把First記錄項的內容改寫(xiě)為0EEEEH。
�、跢irst=Next，重復②，直至Next=0FFFFH。
由添加文件可以看出，在搜索空間時(shí)，只對目錄區和頁(yè)面分配區操作，因此，刪除文件時(shí)，只需要釋放目錄和頁(yè)面分配區即可，而不需要修改數據區。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(jìn)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：
�、侔涯夸泤^全部寫(xiě)為0FFH，以清空目錄區中所有數據；
�、诎秧�(yè)面分配區的所有記錄項寫(xiě)為0EEEEH，標志它們全部未使用。
注：文件系統程序源代碼見(jiàn)網(wǎng)站：www.dpj.com.cn。
4 性能比較
在大多數系統中，AT24C512中的數據存儲都是要用順序存儲法：每次存儲數據時(shí)都是按照先后順序依次寫(xiě)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(diǎn)：
�、俅鎯r(shí)操作簡(jiǎn)單。在順序存儲中，尋找空閑空間需要逐次讀出已經(jīng)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和頁(yè)面分配區即可，搜索空閑空間的效率高。
�、趧h除數據簡(jiǎn)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(xiě)為未用狀態(tài)。本文所述方法只需要修改目錄區和頁(yè)面分配區即可，不僅定位數據快，而且修改的工作量很小。
�、蹖�(shí)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(wú)法回收使用。因為回收的空間會(huì )形成碎片：該空間前后都存儲有數據，但該空間的長(cháng)度無(wú)法滿(mǎn)足一個(gè)更大長(cháng)度的數據。本文所述方法利用鏈表分配存儲空間，允許一個(gè)文件的數據非連續在座，回收的空間可以自由使用。
�、芡ㄟ^(guò)讀取目錄區，用戶(hù)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(wú)法提供這些信息。
5 結論
為了實(shí)現實(shí)時(shí)測控系統數據的高效管理，按照PC機文件系統的思想，對測控系統中的AT24C512設計了一個(gè)簡(jiǎn)單的文件系統，包括系統格式化、添加文件、刪除文件等功能，在大數據量的測控系統中得到了成功應用。該文件系統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(jià)值。
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