瑞萨RA系列FSP库开发实战指南之FatFs文件系统介绍

第24章

基于FLASH的FatFs文件系统移植

24.1

文件系统

即使读者可能不了解文件系统，读者也一定对“文件”这个概念十分熟悉。数据在PC上是以文件的形式储存在磁盘中的，这些数据的形式一般为ASCII 码或二进制形式。在上一章我们已经写好了串行 Flash芯片的驱动函数，我们可以非常方便的在串行Flash芯片上读写数据。如需要记录文字，可以把这些文字转化成相应编码的字符串，存储在数组中，然后调用串行FLASH的写函数，把数组内容写入到串行Flash芯片的指定地址上，在需要的时候从该地址把数据读取出来，再对读出来的数据以相应编码的格式进行解读。

但是，这样直接存储数据会带来极大的不便，如难以记录有效数据的位置，难以确定存储介质的剩余空间，以及应以何种格式来解读数据。就如同一个巨大的图书馆无人管理，杂乱无章地存放着各种书籍，难以查找所需的文档。想象一下图书馆的采购人员购书后，把书籍往馆内一扔，拍拍屁股走人，当有人来借阅某本书的时候，就不得不一本本地查找。这样直接存储数据的方式对于小容量的存储介质如EEPROM还可以接受，但对于大容量Flash芯片或者SD卡之类的大容量设备，我们需要一种高效的方式来管理它的存储内容。

这些管理方式即为文件系统，它是为了存储和管理数据，而在存储介质建立的一种组织结构，这些结构包括操作系统引导区、目录和文件。常见的windows下的文件系统格式包括FAT32、NTFS、exFAT。在使用文件系统前，要先对存储介质进行格式化。格式化先擦除原来内容，在存储介质上新建一个文件分配表和目录。这样，文件系统就可以记录数据存放的物理地址、剩余空间。

使用文件系统时，数据都以文件的形式存储。写入新文件时，先在目录中创建一个文件索引，它指示了文件存放的物理地址，再把数据存储到该地址中。当需要读取数据时，可以从目录中找到该文件的索引，进而在相应的地址中读取出数据。具体还涉及到逻辑地址、簇大小、不连续存储等一系列辅助结构或处理过程。

文件系统的存在使我们在存取数据时，不再是简单地向某物理地址直接读写，而是要遵循它的读写格式。如经过逻辑转换，一个完整的文件可能被分开成多段存储到不连续的物理地址，使用目录或链表的方式来获知下一段的位置。

上一章的串行Flash芯片驱动只完成了向物理地址写入数据的工作，而根据文件系统格式的逻辑转换部分则需要额外的代码来完成。实质上，这个逻辑转换部分可以理解为当我们需要写入一段数据时，由它来求解向什么物理地址写入数据、以什么格式写入及写入一些原始数据以外的信息（如目录）。这个逻辑转换部分代码我们也习惯称之为文件系统。

24.2

FatFs文件系统介绍

上面提到的逻辑转换部分代码（文件系统）即为本章的要点，文件系统庞大而复杂，它需要根据应用的文件系统格式而编写，而且一般与驱动层分离开来，很方便移植，所以工程应用中一般是移植现成的文件系统源码。

FatFs是面向小型嵌入式系统的一种通用的FAT文件系统。它完全是由ANSI C语言编写并且完全独立于底层的I/O介质。因此它可以很容易地不加修改地移植到其他的处理器当中，如8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等。FatFs支持FAT12、FAT16、FAT32等格式，所以我们利用前面写好的串行Flash芯片驱动，把FatFs文件系统代码移植到工程之中，就可以利用文件系统的各种函数，对串行Flash芯片以“文件”格式进行读写操作了。

FatFs文件系统的源码可以从FatFs官网下载：

FatFs官网

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

FatFs源码下载连接

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

24.2.1

FatFs特性

DOS/Windows兼容的FAT/exFAT文件系统。

与平台无关，易于移植。

程序代码和工作区的占用空间非常小。

支持以下各种配置选项：

ANSI/OEM或Unicode中的长文件名。

exFAT文件系统，64位LBA和GPT可存储大量数据。

RTOS的线程。

多个卷（物理驱动器和分区，最多10个卷）。

可变扇区大小。

多个代码页，包括DBCS。

只读，可选API，I/O缓冲区等…

24.2.2

FatFs层级结构

FatFs层级结构如下：

应用层调用FatFs模块接口，FatFs调用底层接口，实现对USB、SD卡等存储设备的操作（需提供RTC时钟给FatFs模块）。

24.3

源码下载

FatFs和Petit FatFs：

PetitFatFs是用于小型8位微控制器的FatFs模块的子集。它是按照ANSI C编写的，并且与磁盘I/O层完全分开。即使RAM大小小于扇区大小，也可以将其合并到内存有限的微型微控制器中。我们这里选择完整版的FatFs。

24.3.1

源码结构

在移植FatFs文件系统到开发板之前，我们先要到 FatFs的官网获取源码，官网有对FatFs做详细的介绍，有兴趣可以了解。解压之后可看到里面有 documents和source这两个文件夹和LICENSE.txt文件，见图FatFs文件目录。documents文件夹里面是一些使用帮助文档；source才是FatFs文件系统的源码。而LICENSE.txt则是使用FatFs所需遵循的许可证。

FatFs 0.15版本的源码结构如下：

24.3.1.1

FatFs帮助文档

打开documents文件夹，可看到如图documents文件夹的文件目录：

documents这个文件夹下面存放的是FatFs模块文档：

• 其中doc文件夹里面是编译好的html文档，讲的是FatFs里面各个函数的使用方法，这些函数都是封装好的函数，利用这些函数我们就可以操作串行Flash芯片。

• res文件夹包含doc文件夹下文件需要用到的图片，还有四个名为app.c文件，内容都是FatFs具体应用例程。

• 00index_e.html相当于FatFs的主页。

• updates.txt记录了各个版本的更新。

24.3.1.2

FatFs源码

打开src文件夹，可看到如图source文件夹的文件目录：

source这个文件夹下面存放的是FatFs源码：

• diskio.c/.h：IO层的实现。

• ff.c/.h：FatFs核心文件，文件管理的实现方法。该文件独立于底层介质操作文件的函数，利用这些函数实现文件的读写。

• ffconf.h：这个头文件包含了对FatFs功能配置的宏定义，通过修改这些宏定义就可以裁剪FatFs的功能。

• ffsystem.c：操作系统相关。

• ffunicode.c：unicode编码相关。FF_USE_LFN !=0时必须包含此文件。

• 00history.txt：介绍了FatFs的版本更新情况。

• 00readme.txt：说明了当前目录下各个文件的功能。

24.3.2

长文件名

FatFs模块支持FAT文件系统的长文件名（LFN）扩展名。默认情况下，禁用LFN。如果要启用LFN，要将FF_USE_LFN设置为1、2或3，并将ffunicode.c文件添加到项目中。LFN功能需要一定的工作缓冲区。缓冲区大小可由FF_MAX_LFN根据可用内存配置。LFN的长度最多可以为255个字符，因此FF_MAX_LFN也应设置为255。

24.3.3

FatFs限制

文件系统类型：FAT、FAT32（rev0.0）和exFAT（rev1.0）。

打开的文件数量：无限制。（取决于可用内存）

卷数：最多10个。

扇区大小：512、1024、2048和4096字节。

最小卷大小：128个扇区。

最大卷大小：32位LBA中的2^32-1扇区，在带有exFAT的64位LBA中几乎不受限制。

最大文件大小：FAT卷上为2^32-1字节，exFAT卷上几乎不受限制。

群集大小：FAT卷上最多128个扇区，exFAT 卷上最多16MB。

24.3.4

FatFs的已知问题

扫描下方二维码或复制链接到浏览器查看：记录着有关Fatfs最新版本的已知问题以及问题的解决方法或补丁。

下载链接

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

网址上会公布已发现并解决的BUG，以补丁形式发布。以R0.14b版本为例，目前该版本有2个补丁。

有需要的话可以按照官方提供的方法对源码进行修改，由于我们这里使用的都是一些比较基础的功能，这些功能是没有问题的，所以就不进行修改了。