文件系统FatFs的移植
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。
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0 |
| 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0 |
| 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。
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
}
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。
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。
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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