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現AT24C512的文件系統，提高數據管理的效率。
關鍵詞：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。隨著測控系統數字化的發展，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越大。但是，在增大數據存儲量的同時，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單易行。然而，單片機以及用于保存數據的芯片本身并沒有提供這種功能，為此，需要開發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公司生產的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內部有512頁，每一頁為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，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：
①A0、A1——地址選擇輸入端。在串行總線結構中，如需連接4個AT24C512芯片，則可用A0、A1來區分各芯片。A0、A1懸空時為0。
②SDA——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。
③SCL——串行時鐘輸入。通常在其上升沿將SDA上的數據寫入存儲器，而在下降沿從存儲器讀出數據并送往SDA。
④WP——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，該腳將在芯片內部下拉到地。
⑤VCC——電源。
GND接地。NC懸空。
（1）與單片機接口
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，即可實現單片機對AT24C512的操作。
（2）設備選址
在對AT24C512開始操作前，需要先發一個8位的地址字來選擇芯片以進行讀寫。設備地址字格式如圖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的寫操作有寫字節和寫頁兩種方式。寫字節時通常在向AT24C512發送設備地址字并接到應答信號后，還需要發送2個8位地址來選擇要寫數據的地址。AT24C512接收到這個地址后會應答一個零信號，然后接收8位數據進來，并再返回一個零應答信號。
在寫頁方式時，AT24C512可以一次性寫入一頁128字節。其初始化過程與寫字節的方法基本相同。不同的是：當寫入一個數據字節后，單片機不發停止狀態，而是在應答信號后接著輸入127個字節；每一個字節接收完畢后，AT24C512則照樣輸出一個零應答信號。
（4）讀操作
讀操作有當前地址讀、隨機讀、讀串三種方式。其初始化過程基本與寫操作相同，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，內部數據的地址將保持在最后的讀寫操作地址加1上，直到讀到最后字節后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數據字后，會回應一個應答信號。AT24C512在接收到應答信號后會將地址加1，接著輸出下一個字節。當單片機接收到數據但不送應答信號時，讀過程結束。
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構造了一個簡單的文件系統。考慮到測控系統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。
為了管理數據方便 ，把AT24C512的物理空間劃分為1024個邏輯頁，每頁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；頁面分配區，占用中間的30頁；目錄區，占用前面的24頁。
（1） 數據區
AT24C512最后面的960頁作為數據區，其序號從0開始編號。該區作為文件數據的存儲區域，在存放文件數據時，從該區內分配若干頁，每次存儲一頁。
（2）頁面分配區
頁面分配區記錄了數據區每一頁的分配情況。該區中每2字節組成一個記錄項，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數據區相應頁的使用情況。
在實際應用中，一個文件的數據往往大于64字節，這樣一個文件的數據區中需占用多個頁。但隨著文件的增刪，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決定某一部分文件內容應該放在哪一頁上。為了把這些分散的數據有機連接起來，把記錄項按照鏈表的形式組織起來，每個文件對應著一個鏈表，鏈表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，最后一個記錄項的內容為0FFFFH，表示鏈表結束。把這些記錄項對應的頁面連接起來就構成了一個文件的完整數據。
另外，如果記錄項的內容為0EEEEH，表示其對應的數據頁未分配。
（3）目錄區
目錄區用來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：
①文件名。文件名由4字節雙BCD碼構成，在生成該文件時由鍵盤輸入數字（硬件上鍵盤只提供了數字鍵）作為文件名，并由程序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字節單BCD碼供顯示。
②文件生成日期。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。日期可由鍵盤輸入或通過時鐘芯片獲取。
③文件首地址。指示在給該文件分配空間進，分配給它的第一個數據頁的序號，即它對應的鏈表的第一個記錄項的編號。
目錄區共占用24頁。由于每個文件信息只占用10字節，則在此文件系統中，最多可存儲153（24×64/10）個文件。目錄區、頁面分配區和數據區的邏輯關系如圖3所示。
以圖3為例，說明該文件系統如何獲取文件數據：
①在目錄區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。
②根據文件的首地址，在頁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。
③同理，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。此時表示這是最后一項，不需再繼續找后繼項了。
④至此，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頁中。只要按序
到數據中讀取這些中的數據，并連接起來，就形成了該文件的全部數據。
⑤同理，文件“00000001”在數據區中使用了0002H和0003H兩頁，文件“00015671”只使用了數據區第000AH頁。
3 系統程序設計
按照上述的文件系統結構，系統可通過目錄區和頁面分配區對AT24C512的全部數據實時文件化管理。在管理過程中，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：
①在目錄區中尋找空位置。若目錄區已經存滿（最多存153個文件），則向用戶報告并中止程序；否則，記錄該位置（記為MyFile）。
②計算文件數據需占用的頁面數，記為My Page。
③在頁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，則向用戶報告，并中止程序。
④在MyFileA位置填寫文件名和日期，并把找到的第一個空記錄項的序號填入，作為該文件的首地址。
⑤依次在找到的空記錄項內填入下一空記錄項的序號，最后一個空記錄項填入0FFFFH。
⑥從文件首地址開始，按照文件鏈表依次把數據寫入數據區相應的頁。
（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。
①在目錄區中尋找到該文件，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。
②在頁面分配區中找到First記錄項，撮出其內容，記為Next。隨后，把First記錄項的內容改寫為0EEEEH。
③First=Next，重復②，直至Next=0FFFFH。
由添加文件可以看出，在搜索空間時，只對目錄區和頁面分配區操作，因此，刪除文件時，只需要釋放目錄和頁面分配區即可，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數據；
②把頁面分配區的所有記錄項寫為0EEEEH，標志它們全部未使用。
注：文件系統程序源代碼見網站：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：每次存儲數據時都是按照先后順序依次寫入數據空間。本文所述方法與順序存儲法相比，具有下列優點：
①存儲時操作簡單。在順序存儲中，尋找空閑空間需要逐次讀出已經存儲的數據，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面分配區即可，搜索空閑空間的效率高。
②刪除數據簡單。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，不僅定位數據快，而且修改的工作量很小。
③實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據，但該空間的長度無法滿足一個更大長度的數據。本文所述方法利用鏈表分配存儲空間，允許一個文件的數據非連續在座，回收的空間可以自由使用。
④通過讀取目錄區，用戶可以大致知道該文件中存儲的是什么數據，而順序存儲法卻無法提供這些信息。
5 結論
為了實現實時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設計了一個簡單的文件系統，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，具有廣泛的應用價值。
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