基于uC/OS-Ⅱ的智能网络磁盘文件系统的开发

摘要

传统的以服务器为中心的存储体系，由于存在“存储瓶颈”和“单点失效”问题，正在向以资料为中心的存储体系转变。SAN(Storage Area Network)就是这种存储体系的优秀代表，但它的实施代价高昂。一种以数据为中心的较低成本的新型存储体系被建立。这种存储体系由多个仅具有IDE及高速以太网接口，使用ARM7以上的高性能微控制器的嵌入式计算机系统组成。这些嵌入式系统挂接廉价的大容量IDE硬盘，直接接入网络，以高速以太网形式组建存储局域网络。然后在每一个嵌入式计算机系统单元上移植入实时操作系统，建立精简的嵌入式文件系统，运行智能化的存储管理和调度软件，使所有直接接入网络的存储单元形成一个逻辑上完全为一体的，能实现快速存取的，具有数据容错和负载均衡功能的文件服务器集群。这种具有智能化、网络化、微型化的嵌入式计算机系统存储单元被称为智能网络磁盘(Intelligent Network Disk，IND)，组成的存储系统就是智能网络磁盘存储系统。 为实现该存储系统，作者和他的科研团队选用并移植了性能优良、源码公开、科研免费的uC/OS-Ⅱ作为IND的操作系统，而其网络通讯模块、文件系统、智能化的存储管理调度软件则自主开发。本文的工作就是文件系统的开发，即完成基于uC/OS-Ⅱ的智能网络磁盘文件系统(IND File System，INDFS)的设计和建立。 为此，作者从IND的特性出发，在对FAT文件系统进行大量分析研究，发现了FAT32存在巨大信息冗余问题的基础上，提出并成功设计了一种精简的、能满足IND需要的、基于FAT24的类FAT文件系统INDFS，并开发了为实现对大容量硬盘读写的IDE接口驱动。 作者最终结合ARM7为核心的IND硬件平台，移植入uC/OS-Ⅱ和自己开发的INDFS和IDE接口驱动，完成了IND对大容量IDE硬盘读写的性能测试与比较，从实践上检验了INDFS的成功建立。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

1.1课题及来源、背景

1.2研究现状与发展

1.2.1关于网络存储

1.2.2关于智能网络磁盘存储系统

1.2.3关于文件系统

1.3研究意义、目的

1.4本课题的研究内容和方法

1.4.1研究内容

1.4.2课题研究方法

1.5全文的组织结构

第二章文件系统相关技术

2.1文件系统与嵌入式文件系统

2.2嵌入式文件系统的类别

2.2.1 Ext2和ROMFS文件系统

2.2.2 FAT文件系统或FAT文件系统的衍生品

2.2.3以JFFS为代表的嵌入式日志型文件系统

2.3 FAT文件系统剖析

2.3.1硬盘的分区表与逻辑盘等基本概念

2.3.2 FAT的基本概念

2.3.4 FDT表

2.3.5 FAT文件系统工作机制

2.3.6 FAT32存在巨大的的信息冗余

2.4小结

第三章建立基于FAT24的INDFS

3.1基于FAT24的INDFS的提出

3.1.1 FAT12、FAT16不适于IND大容量硬盘

3.1.2 FAT32存在巨大信息冗余不太适于资源有限的嵌入式系统

3.1.3建立基于24位FAT表的INDFS

3.2 INDFS逻辑结构设计及分析

3.2.1 INDFS的逻辑结构设计

3.2.2 INDFS的逻辑结构分析

3.3 INDFS主要模块的数据结构

3.3.1 24位FAT表

3.3.2基于FAT24的FDT表

3.3.3打开文件的数据结构

3.4实现INDFS的基础算法

3.4.1获取FAT表项值的内容

3.4.2获取FDT表项值的内容，进行文件定位

3.4.3为簇链增加一个簇(号)

3.5建立目录操作和文件读写等用户API函数

3.6 INDFS与uC/OS-II的对接

3.7小结

第四章智能网络磁盘IDE接口设备驱动程序设计

4.1 IDE硬盘接口技术

4.1.1 IDE接口标准

4.1.2 IDE接口各引脚信号

4.1.3 IDE设备的I/O端口寄存器

4.1.4 IDE硬盘的两种寻址模式

4.1.5 ATA指令及协议

4.2智能网络磁盘IDE设备驱动程序设计

4.2.1关于设备驱动程序

4.2.2智能网络磁盘模型IDE接口及驱动设计

4.3小结

第五章系统测试

5.1关于移植、测试软硬件环境

5.2移植μC/OS-II到IND

5.3建立INDFS，完成INDFS测试

5.2.1测试目的、方法

5.2.2测试结果分析

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2需要改进的和后继的工作

6.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果