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-- 發布時間：2010-11-24 9:39:56
-- 嵌入式Linux的DiskOnChip設備驅動開發 （2）
1 引 言
在以計算機技術、通訊技術相結合的信息時代的快速發展和互聯網廣泛應用的形勢下，3C（Computer，Communication，Consumer）合一的趨勢已經形成，其結果必然就是將計算機工業的中心從計算產品轉移到嵌入式信息產品。
然而由于嵌入式系統的應用要求及成本因素決定了嵌入式系統在系統資源，包括硬件資源和軟件資源方面都是非常精簡和高效的。因此在嵌入式系統中的存儲設備一般不會采用硬盤等大容量高功耗設備，而改用諸如CompactFlash，EPROM等存儲介質。因此本文就M-systems公司開發的新一代閃存FlashDiskOnChip 2000，介紹在基于嵌入式Linux系統上文件系統和塊設備的支持及驅動。
2 硬件系統結構
電子盤的內部存儲介質Flash是近幾年來發展最快的一種存儲芯片，他具有E2PROM可擦寫的特點，又同時具有EPROM廉價的特點，他是一種高性能、低功耗、電可擦除的存儲器件。根據其以上一些特點，電子盤已廣泛應用于信息存儲、機頂盒、網絡計算以及嵌入式計算機等領域。
M-system公司推出的DiskOnChip 2000系列是新一代閃存磁盤（Flash Disk）。為標準32腳DIP封裝，他與標準的E2PROM完全兼容。一般的閃存器（FlashMemory）只包含存儲器部分，而控制器要另加。為了對閃存磁盤進行管理，DiskOnChip中已裝有MSystem公司的閃存文件系統（TrueFFS）軟件。這使得他使用簡單，工作中不需要任何其他特殊復雜的算法。他的讀／寫與硬盤完全相同，因此他可以作為獨立硬盤使用，并與其他磁盤兼容。可以直接引導計算機系統而不需要其他系統盤。他適用于3．3 V和5 V電源，功耗很小，對于那些空間受限，小型便攜式裝置，DiskOnChip將是最佳選擇。DOC2000結構主要由系統接口單元（SystemIterface）、系統引導模塊（BootBlock）、閃存控制單元（FlashControl）以及和Flash存儲介質等組成，其結構如圖1所示。
其中系統接口單元為DOC2000提供了類似SRAM的接口，使之能夠通過CPU的本地總線、ISA總線以及SRAM總線建立與操作系統的連接。DOC提供片選信號（CE＃）、讀寫信號（WE＃）、使能信號（OE＃）以及13位寬的地址線（A［0：12］）和8位寬的數據總線（D［0：7］）。系統接口在主總線信號（讀、寫、地址和片選）的控制下產生相應的控制信號送入閃存磁盤，其內部的ROM提供一種IPL碼，此碼在計算機啟動過程中將閃存文件系統軟件裝入PC內存。他在PC的擴展BIOS中安排了8 kB以上的存儲區域，其地址為0C000H～0EFFFH。計算機開機自檢后，DiskOnChip作為PC的BIOS標準操作的一部分，BIOS搜尋ROM擴展碼，找到后BIOS執行閃存磁盤內的初始化碼，此碼將閃存文件系統軟件裝入內存。閃存磁盤也將被安裝為系統的一個磁盤，然后將傳輸器控制回到BIOS碼。當操作系統要確認適合系統的磁盤時，閃存磁盤軟件即模仿一個硬盤做出反應。
3 TrueFFS與Linux的文件系統
TrueFFS是M-system公司開發出來的專用于電子盤設備的專利技術。TrueFFS是Tornadoll開發環境中的一個集成的快速閃存文件系統，通過TrueFFS對DOC塊設備的磁盤仿真功能，從而方便了嵌入式Linux系統對電子盤的讀寫、分區、格式化等一系列操作。通過對操作系統的I／O控制調用。Linux可以通過VFS訪問TureFFS的外部接口。
Linux文件系統最優秀的地方是對多種文件系統的支持（這里的上層結構是指VFS系統和具體的文件系統，即除buffer管理系統以外的部分）。為了實現這種特色，就必須有一個抽象的層次來統一描述各種文件系統，Linux中就用VFS來實現了這個抽象層；同時，各種具體的文件系統又必須有一個和VFS交互的手段，如圖2所示。
Linux文件系統管理的最上層模塊是文件系統。系統啟動時，必須先裝入“根”文件系統，然后根據／etc／fstab中的指定，逐個建立文件系統。此外，用戶也可以通過mount，umount操作，隨時安裝或卸載文件系統。Linux系統調用操作系統的GetDriveHandle（）函數得到驅動器的句柄，他的返回值是一個能夠供I／O控制函數調用的TrueFFS驅動的描述符。然后再調用操作系統中文件系統的IOCongtrol（）函數，通過VFS的支持，使TrueFFS具有通用文件系統的特性。當某個進程發布了一個面向文件的系統調用時，核心將調用VFS中相應的函數，這個函數處理一些與物理結構無關的操作，并且把他重定向為真實文件系統中相應的函數調用，而這些函數調用則用來處理那些與物理結構相關的操作。
4 構建嵌入式Linux內核DOC設備支持
DOC通過TrueFFS磁盤仿真的支持，Linux系統可把DOC驅動編譯成模塊（doc．o）進行支持，并可用于系統加載后的輔助存儲盤使用，同時也可把DOC核心驅動加載入Linux內核，在系統啟動時進行驅動和加載。
在Linux系統中DOC設備被模擬為IDE塊設備進行識別，系統用主設備號（MAJOR）加次設備（MINOR）號來惟一標識一個設備。相同主設備號表示同一類設備，例如都是硬盤；次設備號標識同類設備的個數。所有設備在適當的目錄（通常在／dev目錄）下必須有相應的文件，這樣字符設備和塊設備都可以通過文件操作的系統調用來完成。不同的是，塊設備操作經常要和緩沖區打交道，從而更加復雜一些。系統設備管理的總體框圖如圖3所示。
構建內核對DOC塊設備的支持：
（1）設備的設備名稱和主設備號
必須找一個還沒有被使用的主設備號，分配給自己的新設備。假設主設備號為30（在2．0．34的內核中還沒有以30作為主設備號的塊設備），則需要在include／Linux／major．h中加入如下句：
71＃define MY＿MAJOR 30
這樣可以通過MY＿MAJOR來確定設備為新設備，保證通用性。
（2）確定編寫需要的file＿operations中的操作函數
由于使用了高速緩存，塊設備驅動程序就不需要包含自己的read（），write（）和fsync（）函數，但必須使用自己的open（），release（）和ioctl（）函數，這些函數的作用和字符設備的相應函數類似。
（3）確定編寫需要的輸入／輸出函數
值得注意的是這2個函數和字符設備中的myread（），mywrite（）函數不同。
（4）確定編寫需要的請求處理函數
在塊設備驅動程序中，不帶中斷服務子程序的請求處理函數是簡單的，典型的格式如下：
實際上，一個真正的塊設備一般不可能沒有中斷服務子程序，另外設備驅動程序是在系統調用中被調用的，這時由內核程序控制CPU，因此不能搶占，只能自愿放棄；因此驅動程序必須調用sleep＿on（）函數，釋放對CPU的占用；在中斷服務子程序將所需的數據復制到內核內存后，再由他來發出wake＿up（）調用。
5 結 語
DOC作為一種新型閃存電子盤，以盤體體積小、功耗低和帶硬盤仿真功能等特點，在一些對電源功耗要求苛刻、空間狹小的嵌入式場合，有他很獨到的優勢；加之目前生活自動化（LA）、智能設備終端等領域的技術日趨成熟，在嵌入式操作系統應用日益廣泛的今天，嵌入式操作系統對此類電子盤設備的支持日益完善。本文結合嵌入式Linux系統介紹和分析了其下DOC2000的設備驅動和文件系統的支持，可廣泛用于工業控制系統、網絡視頻以及POS機系統儲存中，具有實用的價值。 (T004)