文件系统概述及代码移植

CHANBAEK 2023-01-31 1867

CHANBAEK

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描述

21.1 文件系统概述

21.1.1 简介

FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。它完全用标准C语言编写，所以具有良好的硬件平台独立性，甚至可以移植到8位的单片机上而只需做简单的修改。它支持FAT12、FAT16和FAT32，支持多个存储媒介；有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读/写，并特别对8位单片机和16位单片机做了优化。

FATFS的特点有：

（1）Windows兼容的FAT文件系统（支持FAT12/FAT16/FAT32）

（2）与平台无关，移植简单

（3）代码量少、效率高

（4）多种配置选项

（5）支持多卷（物理驱动器或分区，最多10个卷）

（6）多个ANSI/OEM代码页包括DBCS

（7）支持长文件名、ANSI/OEM或Unicode

（8）支持RTOS

（9）支持多种扇区大小

（10）只读、最小化的API和I/O缓冲区等

FATFS的这些特点，加上免费、开源的原则，使得FATFS应用非常广泛。FATFS模块的层次结构如下图所示。

FATFS

最顶层是应用层，使用者无需理会FATFS的内部结构和复杂的FAT协议，只需要调用FATFS模块提供给用户的一系列应用接口函数，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在PC上读写文件那样简单。

中间层FATFS模块，实现了FAT文件读写协议。FATFS模块提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用时将头文件直接包含进去即可。

需要我们编写移植代码的是FATFS模块提供的底层接口，它包括存储媒介读写接口和供给文件创建修改时间的实时时钟。FATFS的源代码用户可以通过官网：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html下载到。目前最新的版本是R0.14，这里我们采用最新版本的FATFS为例来讲解如何将文件系统移植到STM32中。

源代码下载之后，进行解压可以发现里面一共有两个文件夹，doc和src，其中doc是对文件系统的描述，源码都在src里面，其中，与平台无关的是：

ffconf.h FATFS模块配置文件

ff.h FATFS和应用模块公用的包含文件

ff.c FATFS模块

diskio.h FATFS和diskI/O模块公用的包含文件

interger.h 数据类型定义

option 可选的外部功能（比如支持中文等）

与平台相关的代码是：

diskio.c FATFS和diskI/O模块接口层文件

FATFS模块在移植的时候，我们一般只需要修改2个文件，即ffconf.h和diskio.c。FATFS模块的所有配置项都是存放在ffconf.h里面，我们可以通过配置里面的一些选项，来满足自己的需求。接下来我们介绍几个重要的配置选项。

21.1.2 文件系统配置

（1）_FS_TINY：这个选项在R0.07版本中开始出现，之前的版本都是以独立的C文件出现（FATFS和TinyFATFS），有了这个选项之后，两者整合在一起了，使用起来更方便。我们使用FATFS，所以把这个选项定义为0即可

（2）_FS_READONLY：这个用来配置是不是只读，本章我们需要读写都用，所以这里设置为0即可

（3）_USE_STRFUNC：这个用来设置是否支持字符串类操作，比如f_putc，f_puts等，我们需要用到，故设置这里为1

（4）_USE_MKFS：这个用来定时是否使能格式化，本章需要用到，所以设置这里为1

（5）_USE_FASTSEEK：这个用来使能快速定位，我们设置为1，使能快速定位

（6）_USE_LABEL：这个用来设置是否支持磁盘盘符读取与设置。设置为1，使能，就可以通过相关函数读取或者设置磁盘的名字了

（7）_CODE_PAGE：这个用于设置语言类型，包括很多选项，我们这里设置为936，即简体中文（GBK码，需要c936.c文件支持，该文件在option文件夹）

（8）_USE_LFN：该选项用于设置是否支持长文件名，取值范围为03。0，表示不支持长文件名，13是支持长文件名，但是存储地方不一样，这里使用3，通过ff_memalloc函数来动态分配长文件名的存储区域

（9）_VOLUMES：用于设置FATFS支持的逻辑设备数目，我们设置为2，即支持2个设备

（10）_MAX_SS：扇区缓冲的最大值，一般设置为512

21.1.3 接口移植

（1）磁盘初始化

函数名称 disk_initialize
函数原型 DSTATUS disk_initialize (BYTE pdrv)
功能描述 初始化磁盘驱动器
函数参数 pdrv：指定要初始化的逻辑驱动器编号，即盘符，取值范围0~9
返回值 返回一个磁盘状态作为结果
所在文件 diskio.c
备注 该函数用于初始化一个逻辑驱动器为读写数据做准备

（2）检查磁盘状态

函数名称 disk_status
函数原型 DSTATUS disk_ status (BYTE pdrv)
功能描述 查询磁盘驱动器状态
函数参数 pdrv：指定要初始化的逻辑驱动器编号，即盘符，取值范围0~9
返回值 返回下面标志的组合STA_NOINIT：表明磁盘没有初始化STA_NODISK：表示驱动器中没有设备STA_PROTECTED：表示设备被写保护
所在文件 diskio.c

（3）磁盘读数据

函数名称 disk_read
函数原型 DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE* buff, LBA_t sector, UINT count)
功能描述 从磁盘中读取数据
函数参数 pdrv：指定要初始化的逻辑驱动器编号，即盘符，取值范围09*buff：指向存储读取数据字节数组的指针sector：指定开始扇区的逻辑块上的地址count：指定要读取的扇区数，取值范围1128
返回值 RES_OK：成功RES_ERROR：读操作期间产生了错误且无法恢复RES_PARERR：非法参数RES_NOTRDY：磁盘驱动器没有初始化
所在文件 diskio.c

（4）磁盘写数据

函数名称 disk_write
函数原型 DRESULT disk_write(BYTE pdrv, BYTE* buff, LBA_t sector, UINT count)
功能描述 从磁盘中写入数据
函数参数 pdrv：指定要初始化的逻辑驱动器编号，即盘符，取值范围09*buff：指向存储读取数据字节数组的指针sector：指定开始扇区的逻辑块上的地址count：指定要读取的扇区数，取值范围1128
返回值 RES_OK：成功RES_ERROR：读操作期间产生了错误且无法恢复RES_WRPRT：媒体被写保护RES_PARERR：非法参数RES_NOTRDY：磁盘驱动器没有初始化
所在文件 diskio.c

（5）磁盘杂项功能

函数名称 disk_ioctl
函数原型 DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd, void* buff)
功能描述 从磁盘中写入数据
函数参数 pdrv：指定要初始化的逻辑驱动器编号，即盘符，取值范围0~9cmd：命令代码*buff：指向参数缓冲区指针
返回值 RES_OK：成功RES_ERROR：读操作期间产生了错误且无法恢复RES_WRPRT：媒体被写保护RES_PARERR：非法参数RES_NOTRDY：磁盘驱动器没有初始化
所在文件 diskio.c

21.2 FATFS代码移植

21.2.1 diskio.c文件修改

（1）修改宏定义如下图所示。

FATFS

将14，15行代码修改为

#define SD_CARD //SD卡,卷标为0

#define EX_FLASH //外部flash,卷标为1

（2）修改disk_status函数如下所示。

DSTATUS disk_status( BYTE pdrv )

{

return RES_OK;

}

（3）修改disk_initialize函数如下所示。

DSTATUS disk_initialize( BYTE pdrv )

{

int res ;

   switch( pdrv )

   {

          case SD_CARD     :      res = SD_Init() ;     break;      //初始化SD卡

          case EX_FLASH     :      W25QXX_Init();      break;//初始化外部FLASH

          case DEV_USB       :      break;

   }

   if( res )

          return STA_NOINIT ;

   else

          return 0 ;

}

（4）修改disk_read函数如下所示。

DRESULT disk_read( BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count )

{

int result;

   switch( pdrv )

   {

          //SD卡

          case SD_CARD      :

                 result = SD_ReadDisk( buff, sector, count ) ;

                 //读出错

                 while( result )

                 {

                        SD_Init() ;                                      //重新初始化SD卡

                        result = SD_ReadDisk( buff, sector, count ) ;

                 }

          break;

          //外部FLASH读写

          case EX_FLASH     :

                 for( ; count>0; count-- )

                 {

                        W25QXX_Read( buff, sector*512, 512 ) ;

                        sector++;

                        buff+=512;

                 }

          break;

          case DEV_USB       :      break;

   }

   if( result )

          return RES_ERROR ;

   else

          return RES_OK ;

}

（5）修改disk_write函数如下所示。

#if FF_FS_READONLY == 0

DRESULT disk_write( BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count )

{

int result;

   switch ( pdrv )

   {

          //SD卡

          case SD_CARD :

                 result = SD_WriteDisk( ( u8* )buff, sector, count ) ;

                 //写出错

                 while( result )

                 {

                        SD_Init() ;                                 //重新初始化SD卡

                        result = SD_WriteDisk( ( u8* )buff, sector, count ) ;

                 }

                 break ;

          //外部FLASH

          case EX_FLASH :

                 for( ; count>0; count-- )

                 {

                        W25QXX_Write( ( u8* )buff, sector*512, 512 ) ;

                        sector ++ ;

                        buff += 512 ;

                 }

                 break ;

          //其他

          case DEV_USB :

                 break ;

   }

   if( result )

          return RES_ERROR ;

   else

          return RES_OK ;

}

#endif

（6）修改disk_ioctl函数如下所示。

DRESULT disk_ioctl( BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff )

{

DRESULT res;

   //SD卡

   if( pdrv==SD_CARD )

   {

          switch( cmd )

          {

                 case CTRL_SYNC :

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_SIZE :

                        *( DWORD* )buff = 512 ;

                        res = RES_OK;

                        break ;

                 case GET_BLOCK_SIZE :

                        *( WORD* )buff = SDCardInfo.CardBlockSize ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_COUNT :

                        *( DWORD* )buff = SDCardInfo.CardCapacity/512 ;

                        res = RES_OK ;

                        break;

                 default :

                        res = RES_PARERR ;

                        break ;

          }

   }

   //外部FLASH

   else if( pdrv==EX_FLASH )

   {

          switch( cmd )

          {

                 case CTRL_SYNC :

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_SIZE :

                        *( WORD* )buff = 512 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_BLOCK_SIZE :

                        *( WORD* )buff = 8 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 case GET_SECTOR_COUNT :

                        *( DWORD* )buff = 2048*12 ;

                        res = RES_OK ;

                        break ;

                 default :

                        res = RES_PARERR ;

                        break ;

          }

   }

   else

          res = RES_ERROR ;   //其他的不支持

   return res;

}

（7）由于新版的文件系统去掉了获取时间函数，所以这一个函数需要我们自己添加。

//获取时间

DWORD get_fattime()

{

return 0 ;

}

21.2.2 ffsystem.c文件的修改

（1）内存分配ff_memalloc

void* ff_memalloc( UINT msize )

{

return ( void* )mymalloc( SRAMIN, msize ) ;

}

（2）内存释放ff_memfree

void ff_memfree( void* mblock )

{

myfree( SRAMIN, mblock ) ;

}

21.2.3 exfuns.c与exfuns.h文件的创建

（1）创建exfuns.h文件，并输入以下代码。

#ifndef _EXFUNS_H

#define _EXFUNS_H

#include "sys.h"

#include "ff.h"

extern FATFS *fs[ FF_VOLUMES ] ;

extern FIL *file;

extern FIL *ftemp;

extern UINT br,bw;

extern FILINFO fileinfo;

extern DIR dir;

u8 exfuns_init( void ) ; //为exfuns申请内存

u8 exf_getfree( u8 *drv, u32 *total, u32 *free ) ; //得到磁盘总容量和剩余容量

#endif

（2）创建exfuns.c文件，并输入以下代码。

#include "exfuns.h"

#include "malloc.h"

FATFS *fs[ FF_VOLUMES ] ; //逻辑磁盘工作区

FIL *file ; //文件1

FIL *ftemp ; //文件2

UINT br, bw ; //读写变量

FILINFO fileinfo ; //文件信息

DIR dir ; //目录

u8 *fatbuf ; //SD卡数据缓存区

u8 exfuns_init()

{

u8 i;

   for( i=0; i

   {

            //为磁盘i工作区申请内存

          fs[ i ] = ( FATFS* )mymalloc( SRAMIN, sizeof( FATFS ) ) ;

          if( !fs[ i ] )

                 break ;

   }

   file = ( FIL* )mymalloc( SRAMIN, sizeof( FIL ) ) ;       //为file申请内存

   ftemp = ( FIL* )mymalloc( SRAMIN, sizeof( FIL ) ) ;   //为ftemp申请内存

   fatbuf = ( u8* )mymalloc( SRAMIN, 512 ) ;               //为fatbuf申请内存

   //申请有一个失败,即失败

   if( ( i==FF_VOLUMES )&&file&&ftemp&&fatbuf )

          return 0 ;

   else

          return 1 ;

}

u8 exf_getfree( u8 *drv, u32 *total, u32 *free )

{

FATFS *fs1;

   u8 res;

   u32 fre_clust=0, fre_sect=0, tot_sect=0;

   //得到磁盘信息及空闲簇数量

   res = ( u32 )f_getfree( ( const TCHAR* )drv, ( DWORD* )&fre_clust, &fs1 ) ;

   if( res==0 )

   {                                                                              

          tot_sect =( fs1->n_fatent-2 )*fs1->csize ;          //得到总扇区数

          fre_sect = fre_clust*fs1->csize ;                         //得到空闲扇区数

          //扇区大小不是512字节,则转换为512字节

          #if FF_MAX_SS!=512

                 tot_sect*=fs1->ssize/512;

                 fre_sect*=fs1->ssize/512;

          #endif

          *total=tot_sect>>1 ;                                                                    //单位为KB

          *free=fre_sect>>1 ;                                            //单位为KB

}

return res;

}

注：如果SD卡文件系统不能正确挂载则需要修改SD卡驱动文件中的两个参数，如下图所示。

FATFS

21.3 内存管理

21.3.1 内存管理简介

内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现2个函数：malloc和free；malloc函数用于内存申请，free函数用于内存释放。

这一部分我们使用了一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。下面我们介绍一下该方法的实现原理，如下图所示。

FATFS

从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为n块，对应的内存管理表，大小也为n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为0的时候，代表对应的内存块未被占用，当该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。比如某项值为10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了10个内存块给外部的某个指针。

内存分配方向如图所示，是从顶到底的分配方向。即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。

21.3.2 分配原理

当指针p调用malloc申请内存的时候，先判断p要分配的内存块数m，然后从第n项开始，向下查找，直到找到m块连续的空内存块（即对应内存管理表项为0），然后将这m个内存管理表项的值都设置为m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针p，完成一次分配。注意，如果当内存不够的时候（找到最后也没找到连续的m块空闲内存），则返回NULL给p，表示分配失败。

21.3.3 释放原理

当p申请的内存用完，需要释放的时候，调用free函数实现。free函数先判断p指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到p所占用的内存块数目m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这m个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。

21.3.4 源代码实现

（1）创建malloc.h文件，并输入以下代码。

/*********************************************************************************************************
                内    存    管    理    文    件
*********************************************************************************************************/
#ifndef _MALLOC_H_
#define _MALLOC_H_


#include "sys.h"
/*********************************************************************************************************
                数    据    结    构    定    义
*********************************************************************************************************/
//定义两个内存池
#define SRAMIN   0    //内部内存池
#define SRAMBANK   1  //定义支持的SRAM块数
//mem1内存参数设定
#define MEM1_BLOCK_SIZE      32                                    //内存块大小为32字节
#define MEM1_MAX_SIZE      40*1024                                  //最大管理内存40K
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE  MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE                      //内存表大小
//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev
{
  void ( *init )( u8 ) ;              //初始化
  u8 ( *perused )( u8 ) ;              //内存使用率
  u8   *membase[ SRAMBANK ] ;            //内存池 管理SRAMBANK个区域的内存
  u16 *memmap[ SRAMBANK ] ;            //内存管理状态表
  u8  memrdy[ SRAMBANK ] ;            //内存管理是否就绪
};
extern struct _m_mallco_dev mallco_dev;                                  //在mallco.c里面定义
/*********************************************************************************************************
                  函    数    列    表
*********************************************************************************************************/
void my_mem_init( u8 memx ) ;                                      //内存管理初始化函数
u8 my_mem_perused( u8 memx ) ;                                      //获得内存使用率
void myfree( u8 memx, void *ptr ) ;                                    //内存释放
void *mymalloc( u8 memx, u32 size ) ;                                  //内存分配
void *myrealloc( u8 memx, void *ptr, u32 size ) ;                            //重新分配内存


#endif

（2）创建malloc.c文件，并输入以下代码。

/*********************************************************************************************************
                内    存    管    理    程    序
*********************************************************************************************************/
#include "malloc.h"      


__align(32) u8 mem1base[ MEM1_MAX_SIZE ] ;                                //内部SRAM内存池
u16 mem1mapbase[ MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE ] ;                                //内部SRAM内存池MAP
const u32 memtblsize[ SRAMBANK ]={ MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE } ;                      //内存表大小
const u32 memblksize[ SRAMBANK ]={ MEM1_BLOCK_SIZE } ;                          //内存分块大小
const u32 memsize[ SRAMBANK ]={ MEM1_MAX_SIZE } ;                            //内存总大小
//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev mallco_dev=
{
  my_mem_init,                  //内存初始化
  my_mem_perused,                  //内存使用率
  mem1base,                    //内存池
  mem1mapbase,                  //内存管理状态表
  0,                        //内存管理未就绪
};
/***************************************************
Name    :mymemcpy
Function  :复制内存
Paramater  :
      *des:目的地址
      *src:源地址
      n:需要复制的内存长度(字节为单位)
Return    :None
***************************************************/
void mymemcpy( void *des, void *src, u32 n )
{
    u8 *xdes=des ;
  u8 *xsrc=src ;
    while( n-- )
    *xdes++ =*xsrc++ ;
}
/***************************************************
Name    :mymemset
Function  :设置内存
Paramater  :
      *s:内存首地址
      c:要设置的值
      count:需要设置的内存大小(字节为单位)
Return    :None
***************************************************/
void mymemset( void *s, u8 c, u32 count )
{
    u8 *xs=s ;
    while( count-- )
    *xs++ = c ;
}
/***************************************************
Name    :my_mem_perused
Function  :内存分配
Paramater  :
      memx:所属内存块
      size:要分配的内存大小(字节)
Return    :
      0xFFFFFFFF:代表错误
      其他:内存偏移地址
***************************************************/
u32 my_mem_malloc( u8 memx, u32 size )
{  
    signed long offset=0 ;
  u32 i, nmemb, cmemb=0 ;                                        //需要的内存块数+连续空内存块数
  //未初始化,先执行初始化
    if( !mallco_dev.memrdy[ memx ] )
    mallco_dev.init( memx ) ;
  //不需要分配
    if( size==0 )
    return 0xFFFFFFFF ;
    nmemb = size/memblksize[ memx ] ;                                  //获取需要分配的连续内存块数
    if( size%memblksize[ memx ] )
    nmemb ++ ;
  //搜索整个内存控制区
    for( offset=memtblsize[ memx ]-1; offset>=0; offset-- )
    {
    //连续空内存块数增加
    if( !mallco_dev.memmap[ memx ][ offset ] )
      cmemb ++ ;
    else
      cmemb = 0 ;                                          //连续内存块清零
    //找到了连续nmemb个空内存块
    if( cmemb==nmemb )
    {
      //标注内存块非空
            for( i=0; i

21.4 实验例程

实验：利用FATFS R0.14挂载SD卡与W25Q128，并在LCD上显示SD卡的已用容量与剩余容量。

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "lcd.h"
#include "sdio_sdcard.h"
#include "w25q128.h"
#include "ff.h"
#include "exfuns.h"
#include "malloc.h"


int main()
{
  BYTE work[ FF_MAX_SS ] ;
  u32 total, free ;
  u8 res=0;
  u8 Str[ 30 ] ;
   STM32_Clock_Init( 9 ) ;                                        //系统时钟设置
  SysTick_Init( 72 ) ;                                        //延时初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                                      //串口初始化为115200
  LCD_Init() ;                                            //初始化LCD
  W25QXX_Init() ;                                            //初始化W25Q128
  my_mem_init( SRAMIN ) ;                                        //初始化内部内存池
  while( SD_Init() ) ;                                        //初始化SD卡
  exfuns_init() ;
  f_mount( fs[0], "0:", 1 ) ;                                      //挂载SD卡
  res = f_mount( fs[1], "1:", 1 ) ;                                  //挂载FLASH
  //FLASH 磁盘,FAT 文件系统错误,重新格式化 FLASH
  if( res==0x0D )
  {
    LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Formatting..." ) ;                      //格式化FLASH
    res = f_mkfs( "1:", 0, work, sizeof work ) ;                          //格式化 FLASH,1,盘符
    if(res==0)
    {
      f_setlabel( ( const TCHAR * )"1:FLASH" ) ;                          //设置Flash磁盘名:FLASH
      LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Format Finish ") ;                    //格式化完成
    }
    else
      LCD_ShowString( 0, 0, "Flash Disk Format Error " ) ;                    //格式化失败
    delay_ms( 1000 ) ;
  }
  //得到SD卡的总容量和剩余容量
  while( exf_getfree( "0", &total, &free ) ) ;
  sprintf( ( char* )Str, "total=%03d MB, free=%03d MB", total>>10, free>>10 ) ;
  LCD_ShowString( 0, 40, Str ) ;
   while(1)
  {

  }
}
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