芯课堂 | FatFs文件系统的移植及应用指南

news2024/12/23 15:24:31

1、FatFs文件系统简介

FatFs是用于小型嵌入式系统的通用FAT/exFAT文件系统模块。FatFs模块是按照ANSI C（C89）编写的，与磁盘控制层完全分离。因此，它独立于平台和存储设备，具有良好的硬件平台独立性。它可以集成到资源有限的小型微控制器中，如8051、PIC、AVR、ARM、Z80、RX等,支持多种存储设备如 SD 卡、MMC、USB闪存、NAND/NOR 闪存等。FatFs支持 FAT12/16/32 文件系统格式，具有高效、简洁、易于移植的特点。

2、FatFs的主要结构组成

(1) 用户应用层

文件操作API接口函数：如 f_open、f_read、f_write、f_close 等。这些函数用于用户操作文件和目录，如打开、读取、写入和关闭文件等。

(2) 文件系统层

•文件控制块（FIL）：用于表示一个已打开的文件，包含文件的状态、文件的指针、当前位置等信息。

•目录控制块（DIR）：用于表示一个已打开的目录，包含目录的结构、当前读取位置等。

•文件系统对象（FATFS）：用于表示整个文件系统的状态，包括当前挂载的信息、文件系统类型、扇区大小等。

•文件分配表（FAT）：FAT 文件系统核心的数据结构，用于管理文件的簇链，标识文件占用了哪些簇，以及这些簇是否已被分配、空闲或损坏。

(3) 缓存管理层

FatFs 会在 RAM 中保留一个扇区缓冲区，用于加速文件读写操作，将块设备的读写操作优化为扇区大小。

(4) 低级设备抽象层

FatFs 通过硬件抽象层与具体的存储设备交互，即磁盘接口。支持多种存储设备媒介（SD 卡、USB、NAND、NOR Flash）。

·disk_read()：从存储设备中读取数据。

·disk_write()：向存储设备写入数据。

3、FatFs的移植及使用

（1）FatFs源码下载，FatFs官方网站：http://elm-chan.org/fsw/ff/。

图1 FatFs源码下载网页

如图1所示，通过官网下载到最新的FatFs源码包，源码包解压后得到相关文件如图2所示，文件包含了：存放于documents文件夹的相关使用的帮助文档、存放于source文件夹中的FatFs源代码以及许可证信息，这里我们主要聚焦于源码部分。

（2）FatFs源码移植。

ffsystem.c 通常是一个可选文件，提供了操作系统依赖的函数，这些函数用于动态内存分配和多任务环境中的互斥锁管理（当启用 FF_FS_REENTRANT 配置时），这里我们不启用相关函数功能。因此我们对其余的6个程序模块进行移植，这里以华芯微特UI_Creator上位机swm34s工程为例，如图3所示，针对FAtfs移植来进行相关的讲解。

图3 UI_Creator上位机工程FatFs模块

FatFs主要通过对低级设备抽象层（即diskio.c模块）进行程序修改移植。

在 diskio.c 中，有以下5个函数实现：

•disk_status(): 获取磁盘状态。

•disk_initialize(): 初始化磁盘（通常是 SPI 或 SD 卡的初始化）。

•disk_read(): 从磁盘读取数据。

•disk_write(): 向磁盘写入数据。

•disk_ioctl(): 控制磁盘的操作，比如获取磁盘扇区、块大小、擦除等。

在上位机工程中，我们支持对SD卡及串行闪存盘进行文件系统移植，需添加硬件初始化及磁盘操作的相关头文件（SWM341.h、FlashDisk.h<闪存盘读写擦操作的头文件>），其次是添加设备定义编号，程序如图3编程界面红框所示。

在diskio.c的6个功能函数中，对对应设备部分进行编程或功能函数植入，其中包括：①在disk_status()中实现磁盘设备ID读取检测（闪存设备），实现状态信息返回，如图4所示；

图4

②在disk_initialize()中对相关存储设备硬件IO接口进行初始化，如图5所示；

图5

③在disk_read()、disk_write()中添加对硬件设备相关的读写操作函数接口，如图6所示；

图6

④在disk_ioctl()中可添加需要的磁盘操作功能，如图7所示；

图7

至此，我们基本完成了FatFs文件系统的移植。

（3）FatFs的使用。

移植完FatFs后，需要通过f_mount()函数实现对文件系统的挂载，而后ff.c所提供的标准文件操作接口来实现文件读写。以上位机工程为例，通过在lv_fs_fatfs.c中，将 FatFs 提供的文件系统接口与 LVGL 的文件 I/O 接口关联起来，如图8所示，实现了LVGL从文件系统中加载资源，比如图像、字体、数据文件等。