內(nèi)容摘要：為方便單片機對AT24C512中的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化管理，在介紹AT24C512基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，按照PC機文件管理的思想實現(xiàn)AT24C512的文件系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)管理的效率。

　　ATMEL在系統(tǒng)級集成方面所擁有的知識和豐富的經(jīng)驗使其產(chǎn)品可以在現(xiàn)有模塊的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，保證的開發(fā)延期和風險。憑借業(yè)界廣泛的知識產(chǎn)權(quán)（IP）組合，Atmel提供電子系統(tǒng)完整的系統(tǒng)解決方案的廠商。 這使客戶能夠帶領(lǐng)他們與市場的電子產(chǎn)品的體積更小，更聰明，更符合成本效益比以往任何時候都通用的服務(wù)。 Atmel集成電路的主要集中在消費，工業(yè)，安全，通信，計算和汽車市場。

　　ATMEL公司是世界上半導體產(chǎn)品設(shè)計、制造和行銷的者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲器、安全芯片、混合信號及RF射頻集成電路。通過這些技術(shù)的組合，ATMEL生產(chǎn)出了各種通用目的及特定應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片，以滿足當今電子系統(tǒng)設(shè)計工程師不斷增長和演進的需求。ATMEL在系統(tǒng)級集成方面所擁有的知識和豐富的經(jīng)驗使其產(chǎn)品可以在現(xiàn)有模塊的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，保證的開發(fā)延期和風險。

　　在由單片機構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能儀器儀表當中，往往有大量數(shù)據(jù)要保存。隨著測控系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)存儲提出了更高的要求，因而用于存儲數(shù)據(jù)的存儲器容量也越來越大。但是，在增大數(shù)據(jù)存儲量的同時，人們也希望能更便捷高效地操作其中的數(shù)據(jù)（包括瀏覽、添加和刪除等），即像PC機上管理數(shù)據(jù)一樣簡單易行。然而，單片機以及用于保存數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的有效方法。本文在吸取PC機文件管理思想的基礎(chǔ)上，以AT24C512為例，構(gòu)造了一種類似于文件系統(tǒng)的用于管理單片機數(shù)據(jù)的方法，大大提高了數(shù)據(jù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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。

　?、赟DA——雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。用于存儲器與單片機之間的數(shù)據(jù)交換。

　?、跾CL——串行時鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲器，而在下降沿從存儲器讀出數(shù)據(jù)并送往SDA。

　?、躓P——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(nèi)部下拉到地。

　?、軻CC——電源。

　　GND接地。NC懸空。

GND

　　（1）與單片機接口

　　接口技術(shù)：接口技術(shù)可極大地提高硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率，現(xiàn)在普遍使用的ULTRAATA/66已大幅提高了E-IDE接口的性能，所謂UltraDMA66是指一種由Intel及Quantum公司設(shè)計的同步DMA協(xié)議。使用該技術(shù)的硬盤并配合相應(yīng)的芯片組，傳輸速度可以由16MB/s提高到66MS/s。它的優(yōu)點在于把CPU從大量的數(shù)據(jù)傳輸中解放出來了，可以把數(shù)據(jù)從HDD直接傳輸?shù)街鞔娑徽加酶嗟腃PU資源，從而在一定程度上提高了整個系統(tǒng)的性能。由于采用ULTRAATA技術(shù)的硬盤整體性能比普通硬盤可提高20%～60%,所以已成為目前E-IDE硬盤事實上的標準。

　　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(xiàn)單片機對AT24C512的操作。

　　接口有存儲器接口和 I/O接口。習慣上常指Ｉ／Ｏ接口。

　　I/O接口的功能是負責實現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起。具體是設(shè)置數(shù)據(jù)的寄存、緩沖邏輯，以適應(yīng)CPU與外設(shè)之間的速度差異，接口通常由一些寄存器或RAM芯片組成，如果芯片足夠大還可以實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的傳輸； 　　能夠進行信息格式的轉(zhuǎn)換，例如串行和并行的轉(zhuǎn)換；

　　能夠協(xié)調(diào)CPU和外設(shè)兩者在信息的類型和電平的差異，如電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器、數(shù)／?；蚰＃瘮?shù)轉(zhuǎn)換器等；

　　協(xié)調(diào)時序差異；

　　地址譯碼和設(shè)備選擇功能；

　　設(shè)置中斷和DMA控制邏輯，以保證在中斷和DMA允許的情況下產(chǎn)生中斷和DMA請求信號，并在接受到中斷和DMA應(yīng)答之后完成中斷處理和DMA傳輸。

　　按照電路和設(shè)備的復(fù)雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類： （1）I/O接口芯片 （2）I/O接口控制卡 　　CPU通過接口對外設(shè)進行控制的方式有以下幾種： （1）程序查詢方式 （2）中斷處理方式 3）DMA（直接存儲器存取）傳送方式

　?。?）設(shè)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(shè)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(shè)備地址字并接到應(yīng)答信號后，還需要發(fā)送2個8位地址來選擇要寫數(shù)據(jù)的地址。AT24C512接收到這個地址后會應(yīng)答一個零信號，然后接收8位數(shù)據(jù)進來，并再返回一個零應(yīng)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(shè)備選擇字中的位要改成讀而已。在當前地址讀操作方式時，內(nèi)部數(shù)據(jù)的地址將保持在的讀寫操作地址加1上，讀串操作既可以是當前地址讀，也可以是隨機地址讀。當單片機接收到數(shù)據(jù)但不送應(yīng)答信號時，讀過程結(jié)束。

　　2 文件系統(tǒng)構(gòu)成

　　為了有效地管理AT24C512中的數(shù)據(jù)，筆者仿效PC機中的文件管理機制，為AT24C512構(gòu)造了一個簡單的文件系統(tǒng)。考慮到測控系統(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。

　　（1） 數(shù)據(jù)區(qū)

　　AT24C512面的960頁作為數(shù)據(jù)區(qū)，其序號從0開始編號。該區(qū)作為文件數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，在存放文件數(shù)據(jù)時，從該區(qū)內(nèi)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(shù)據(jù)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（30×64/2）。記錄項從0開始編號，每一個記錄項對應(yīng)著數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)頁的使用情況。

　　另外，如果記錄項的內(nèi)容為0EEEEH，表示其對應(yīng)的數(shù)據(jù)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(jù)這些信息可以知道文件名、文件生成的日期以及文件的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)中的存儲首地址。文件目錄項的結(jié)構(gòu)如下：

　　①文件名。文件名由4字節(jié)雙BCD碼構(gòu)成，在生成該文件時由鍵盤輸入數(shù)字（硬件上鍵盤只提供了數(shù)字鍵）作為文件名，并由程序自動把它們轉(zhuǎn)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。

　?、谖募扇掌?。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。

　?、畚募椎刂?。指示在給該文件分配空間進，分配給它的個數(shù)據(jù)頁的序號，即它對應(yīng)的鏈表的個記錄項的編號。

　　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，多可存儲153（24×64/10）個文件。目錄區(qū)、頁面分配區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的邏輯關(guān)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(shù)據(jù)：

　?、僭谀夸泤^(qū)中根據(jù)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(jù)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。

　?、弁?，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。此時表示這是一項，不需再繼續(xù)找后繼項了。

　?、苤链?，可知文件“00000103”的數(shù)據(jù)分為5部分存儲在數(shù)據(jù)區(qū)中，分別存儲在0005H、0007H、0008H、0009H、000BH頁中。只要按序到數(shù)據(jù)中讀取這些中的數(shù)據(jù)，并連接起來，就形成了該文件的全部數(shù)據(jù)。

　　⑤同理，文件“00000001”在數(shù)據(jù)區(qū)中使用了0002H和0003H兩頁，文件“00015671”只使用了數(shù)據(jù)區(qū)第000AH頁。

　　3 系統(tǒng)程序設(shè)計

　　按照上述的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可通過目錄區(qū)和頁面分配區(qū)對AT24C512的全部數(shù)據(jù)實時文件化管理。在管理過程中，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^(qū)中尋找空位置。若目錄區(qū)已經(jīng)存滿（多存153個文件），則向用戶并中止程序；否則，記錄該位置（記為MyFile）。

　?、谟嬎阄募?shù)據(jù)需占用的頁面數(shù)，記為My Page。

　?、墼陧撁娣峙鋮^(qū)中尋找并統(tǒng)計標志為空的記錄項，其內(nèi)容為0EEEEH。若其數(shù)目小于MyPage，則向用戶，并中止程序。

　?、茉贛yFileA位置填寫文件名和日期，并把找到的個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?nèi)填入下一空記錄項的序號，一個空記錄項填入0FFFFH。

　?、迯奈募椎刂烽_始，按照文件鏈表依次把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)區(qū)相應(yīng)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。

　?、僭谀夸泤^(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。

　?、谠陧撁娣峙鋮^(qū)中找到First記錄項，撮出其內(nèi)容，記為Next。隨后，把First記錄項的內(nèi)容改寫為0EEEEH。

　　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(shù)據(jù)區(qū)。這大大提高了刪除的效率。

　?。?）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：

　?、侔涯夸泤^(qū)全部寫為0FFH，以清空目錄區(qū)中所有數(shù)據(jù)；

　?、诎秧撁娣峙鋮^(qū)的所有記錄項寫為0EEEEH，標志它們?nèi)课词褂谩?/P>

　　4 性能比較

　　在大多數(shù)系統(tǒng)中，AT24C512中的數(shù)據(jù)存儲都是要用順序存儲法：每次存儲數(shù)據(jù)時都是按照先后順序依次寫入數(shù)據(jù)空間。本文所述方法與順序存儲法相比，具有下列優(yōu)點：

　?、俅鎯r操作簡單。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(shù)據(jù)，直到找到空閑空間為止，數(shù)據(jù)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。

　?、趧h除數(shù)據(jù)簡單。在順序存儲中，為了定位到需要刪除的數(shù)據(jù)，必須逐次讀出存儲的數(shù)據(jù)，直到找到需要刪除物數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)快，而且修改的工作量很小。

　?、蹖崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)空間的回收。順序存儲法中，在刪除的某次數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，而順序存儲法卻無法提供這些信息。

　　5 結(jié)論

　　為了實現(xiàn)實時測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)量的測控系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。