第24章

基于FLASH的FatFs文件系統(tǒng)移植

24.1

文件系統(tǒng)

即使讀者可能不了解文件系統(tǒng)，讀者也一定對(duì)“文件”這個(gè)概念十分熟悉。數(shù)據(jù)在PC上是以文件的形式儲(chǔ)存在磁盤中的，這些數(shù)據(jù)的形式一般為ASCII 碼或二進(jìn)制形式。在上一章我們已經(jīng)寫好了串行 Flash芯片的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，我們可以非常方便的在串行Flash芯片上讀寫數(shù)據(jù)。如需要記錄文字，可以把這些文字轉(zhuǎn)化成相應(yīng)編碼的字符串，存儲(chǔ)在數(shù)組中，然后調(diào)用串行FLASH的寫函數(shù)，把數(shù)組內(nèi)容寫入到串行Flash芯片的指定地址上，在需要的時(shí)候從該地址把數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，再對(duì)讀出來(lái)的數(shù)據(jù)以相應(yīng)編碼的格式進(jìn)行解讀。

但是，這樣直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)極大的不便，如難以記錄有效數(shù)據(jù)的位置，難以確定存儲(chǔ)介質(zhì)的剩余空間，以及應(yīng)以何種格式來(lái)解讀數(shù)據(jù)。就如同一個(gè)巨大的圖書館無(wú)人管理，雜亂無(wú)章地存放著各種書籍，難以查找所需的文檔。想象一下圖書館的采購(gòu)人員購(gòu)書后，把書籍往館內(nèi)一扔，拍拍屁股走人，當(dāng)有人來(lái)借閱某本書的時(shí)候，就不得不一本本地查找。這樣直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式對(duì)于小容量的存儲(chǔ)介質(zhì)如EEPROM還可以接受，但對(duì)于大容量Flash芯片或者SD卡之類的大容量設(shè)備，我們需要一種高效的方式來(lái)管理它的存儲(chǔ)內(nèi)容。

這些管理方式即為文件系統(tǒng)，它是為了存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，而在存儲(chǔ)介質(zhì)建立的一種組織結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)包括操作系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)、目錄和文件。常見(jiàn)的windows下的文件系統(tǒng)格式包括FAT32、NTFS、exFAT。在使用文件系統(tǒng)前，要先對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行格式化。格式化先擦除原來(lái)內(nèi)容，在存儲(chǔ)介質(zhì)上新建一個(gè)文件分配表和目錄。這樣，文件系統(tǒng)就可以記錄數(shù)據(jù)存放的物理地址、剩余空間。

使用文件系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)都以文件的形式存儲(chǔ)。寫入新文件時(shí)，先在目錄中創(chuàng)建一個(gè)文件索引，它指示了文件存放的物理地址，再把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到該地址中。當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以從目錄中找到該文件的索引，進(jìn)而在相應(yīng)的地址中讀取出數(shù)據(jù)。具體還涉及到邏輯地址、簇大小、不連續(xù)存儲(chǔ)等一系列輔助結(jié)構(gòu)或處理過(guò)程。

文件系統(tǒng)的存在使我們?cè)诖嫒?shù)據(jù)時(shí)，不再是簡(jiǎn)單地向某物理地址直接讀寫，而是要遵循它的讀寫格式。如經(jīng)過(guò)邏輯轉(zhuǎn)換，一個(gè)完整的文件可能被分開(kāi)成多段存儲(chǔ)到不連續(xù)的物理地址，使用目錄或鏈表的方式來(lái)獲知下一段的位置。

上一章的串行Flash芯片驅(qū)動(dòng)只完成了向物理地址寫入數(shù)據(jù)的工作，而根據(jù)文件系統(tǒng)格式的邏輯轉(zhuǎn)換部分則需要額外的代碼來(lái)完成。實(shí)質(zhì)上，這個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換部分可以理解為當(dāng)我們需要寫入一段數(shù)據(jù)時(shí)，由它來(lái)求解向什么物理地址寫入數(shù)據(jù)、以什么格式寫入及寫入一些原始數(shù)據(jù)以外的信息（如目錄）。這個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換部分代碼我們也習(xí)慣稱之為文件系統(tǒng)。

24.2

FatFs文件系統(tǒng)介紹

上面提到的邏輯轉(zhuǎn)換部分代碼（文件系統(tǒng)）即為本章的要點(diǎn)，文件系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，它需要根據(jù)應(yīng)用的文件系統(tǒng)格式而編寫，而且一般與驅(qū)動(dòng)層分離開(kāi)來(lái)，很方便移植，所以工程應(yīng)用中一般是移植現(xiàn)成的文件系統(tǒng)源碼。

FatFs是面向小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用的FAT文件系統(tǒng)。它完全是由ANSI C語(yǔ)言編寫并且完全獨(dú)立于底層的I/O介質(zhì)。因此它可以很容易地不加修改地移植到其他的處理器當(dāng)中，如8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等。FatFs支持FAT12、FAT16、FAT32等格式，所以我們利用前面寫好的串行Flash芯片驅(qū)動(dòng)，把FatFs文件系統(tǒng)代碼移植到工程之中，就可以利用文件系統(tǒng)的各種函數(shù)，對(duì)串行Flash芯片以“文件”格式進(jìn)行讀寫操作了。

FatFs文件系統(tǒng)的源碼可以從FatFs官網(wǎng)下載：

FatFs官網(wǎng)

http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html

FatFs源碼下載連接

http://elm-chan.org/fsw/ff/archives.html

24.2.1

FatFs特性

DOS/Windows兼容的FAT/exFAT文件系統(tǒng)。

與平臺(tái)無(wú)關(guān)，易于移植。

程序代碼和工作區(qū)的占用空間非常小。

支持以下各種配置選項(xiàng)：

ANSI/OEM或Unicode中的長(zhǎng)文件名。

exFAT文件系統(tǒng)，64位LBA和GPT可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

RTOS的線程。

多個(gè)卷（物理驅(qū)動(dòng)器和分區(qū)，最多10個(gè)卷）。

可變扇區(qū)大小。

多個(gè)代碼頁(yè)，包括DBCS。

只讀，可選API，I/O緩沖區(qū)等…

24.2.2

FatFs層級(jí)結(jié)構(gòu)

FatFs層級(jí)結(jié)構(gòu)如下：

應(yīng)用層調(diào)用FatFs模塊接口，F(xiàn)atFs調(diào)用底層接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)USB、SD卡等存儲(chǔ)設(shè)備的操作（需提供RTC時(shí)鐘給FatFs模塊）。

24.3

源碼下載

FatFs和Petit FatFs：

PetitFatFs是用于小型8位微控制器的FatFs模塊的子集。它是按照ANSI C編寫的，并且與磁盤I/O層完全分開(kāi)。即使RAM大小小于扇區(qū)大小，也可以將其合并到內(nèi)存有限的微型微控制器中。我們這里選擇完整版的FatFs。

24.3.1

源碼結(jié)構(gòu)

在移植FatFs文件系統(tǒng)到開(kāi)發(fā)板之前，我們先要到 FatFs的官網(wǎng)獲取源碼，官網(wǎng)有對(duì)FatFs做詳細(xì)的介紹，有興趣可以了解。解壓之后可看到里面有 documents和source這兩個(gè)文件夾和LICENSE.txt文件，見(jiàn)圖FatFs文件目錄。documents文件夾里面是一些使用幫助文檔；source才是FatFs文件系統(tǒng)的源碼。而LICENSE.txt則是使用FatFs所需遵循的許可證。

FatFs 0.15版本的源碼結(jié)構(gòu)如下：

24.3.1.1

FatFs幫助文檔

打開(kāi)documents文件夾，可看到如圖documents文件夾的文件目錄：

documents這個(gè)文件夾下面存放的是FatFs模塊文檔：

? 其中doc文件夾里面是編譯好的html文檔，講的是FatFs里面各個(gè)函數(shù)的使用方法，這些函數(shù)都是封裝好的函數(shù)，利用這些函數(shù)我們就可以操作串行Flash芯片。

? res文件夾包含doc文件夾下文件需要用到的圖片，還有四個(gè)名為app.c文件，內(nèi)容都是FatFs具體應(yīng)用例程。

? 00index_e.html相當(dāng)于FatFs的主頁(yè)。

? updates.txt記錄了各個(gè)版本的更新。

24.3.1.2

FatFs源碼

打開(kāi)src文件夾，可看到如圖source文件夾的文件目錄：

source這個(gè)文件夾下面存放的是FatFs源碼：

? diskio.c/.h：IO層的實(shí)現(xiàn)。

? ff.c/.h：FatFs核心文件，文件管理的實(shí)現(xiàn)方法。該文件獨(dú)立于底層介質(zhì)操作文件的函數(shù)，利用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)文件的讀寫。

? ffconf.h：這個(gè)頭文件包含了對(duì)FatFs功能配置的宏定義，通過(guò)修改這些宏定義就可以裁剪FatFs的功能。

? ffsystem.c：操作系統(tǒng)相關(guān)。

? ffunicode.c：unicode編碼相關(guān)。FF_USE_LFN !=0時(shí)必須包含此文件。

? 00history.txt：介紹了FatFs的版本更新情況。

? 00readme.txt：說(shuō)明了當(dāng)前目錄下各個(gè)文件的功能。

24.3.2

長(zhǎng)文件名

FatFs模塊支持FAT文件系統(tǒng)的長(zhǎng)文件名（LFN）擴(kuò)展名。默認(rèn)情況下，禁用LFN。如果要啟用LFN，要將FF_USE_LFN設(shè)置為1、2或3，并將ffunicode.c文件添加到項(xiàng)目中。LFN功能需要一定的工作緩沖區(qū)。緩沖區(qū)大小可由FF_MAX_LFN根據(jù)可用內(nèi)存配置。LFN的長(zhǎng)度最多可以為255個(gè)字符，因此FF_MAX_LFN也應(yīng)設(shè)置為255。

24.3.3

FatFs限制

文件系統(tǒng)類型：FAT、FAT32（rev0.0）和exFAT（rev1.0）。

打開(kāi)的文件數(shù)量：無(wú)限制。（取決于可用內(nèi)存）

卷數(shù)：最多10個(gè)。

扇區(qū)大?。?12、1024、2048和4096字節(jié)。

最小卷大?。?28個(gè)扇區(qū)。

最大卷大?。?2位LBA中的2^32-1扇區(qū)，在帶有exFAT的64位LBA中幾乎不受限制。

最大文件大小：FAT卷上為2^32-1字節(jié)，exFAT卷上幾乎不受限制。

群集大?。篎AT卷上最多128個(gè)扇區(qū)，exFAT 卷上最多16MB。

24.3.4

FatFs的已知問(wèn)題

掃描下方二維碼或復(fù)制鏈接到瀏覽器查看：記錄著有關(guān)Fatfs最新版本的已知問(wèn)題以及問(wèn)題的解決方法或補(bǔ)丁。

下載鏈接

http://elm-chan.org/fsw/ff/patches.html

網(wǎng)址上會(huì)公布已發(fā)現(xiàn)并解決的BUG，以補(bǔ)丁形式發(fā)布。以R0.14b版本為例，目前該版本有2個(gè)補(bǔ)丁。

有需要的話可以按照官方提供的方法對(duì)源碼進(jìn)行修改，由于我們這里使用的都是一些比較基礎(chǔ)的功能，這些功能是沒(méi)有問(wèn)題的，所以就不進(jìn)行修改了。