一種易于移植和使用的文件系統(tǒng)FatFs Moule

引 言

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)的信息量越來越大，以往由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)簡單地對(duì)存儲(chǔ)媒介按地址、按字節(jié)的讀／寫已經(jīng)不滿足人們實(shí)際應(yīng)用的需要，于是利用文件系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)媒介進(jìn)行管理成了今后單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。目前常用的文件系統(tǒng)主要有微軟的FATl2、FATl6、FAT32、NTFS，以及Linux系統(tǒng)下的EXT2、EXT3等。由于微軟Windows的廣泛應(yīng)用，在當(dāng)前的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，用得最多的還是FAT文件系統(tǒng)，如U盤、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等，所以找到一款容易移植和使用、占用硬件資源相對(duì)較小而功能又強(qiáng)大的FAT開源文件系統(tǒng)，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說是很重要的。

    FatFs Module是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等系列單片機(jī)上而只需做簡單的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多個(gè)存儲(chǔ)媒介；有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀／寫，并特別對(duì)8位單片機(jī)和16位單片機(jī)做了優(yōu)化。FatFs Module有個(gè)簡化版本Tiny—FatFs，它跟完全版FatFs的不同之處主要有兩點(diǎn)：

    ①占用內(nèi)存更少，只要1 KB RAM；

    ②1次僅支持1個(gè)存儲(chǔ)介。

    FatFs和Tiny—FatFs的用法一樣，僅僅是包含不同的頭文件即可,非常方便,本文主要介紹Tiny-FatFs.

1 Tiny-FatFs 

1.1 移植前的準(zhǔn)備

FatFs Module一開始就是為了能在不同的單片機(jī)上使用而設(shè)計(jì)的,所以具有良好的層次結(jié)構(gòu),如圖1所示。最頂層是應(yīng)用層,使用者無需理會(huì)FatFs Module的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議,只需要調(diào)用FatFs Module提供給用戶的一系列應(yīng)用接口函數(shù),如f_open,f_read,f_write、f_close等，就可以像在PC上讀／寫文件那樣簡單。

     中間層FatFs Module實(shí)現(xiàn)了FAT文件讀／寫協(xié)議。FatFs Module的完全版提供的是ff．c、ff．h，簡化版Tiny—FatFs提供的是tff．c、tff．h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時(shí)將需要版本的頭文件直接包含進(jìn)去即可。

    需要使用者編寫移植代碼的是FatFs Module提供的底層接口，它包括存儲(chǔ)媒介讀／寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

    本移植硬件平臺(tái)使用型號(hào)為ATmegal28的AVR單片機(jī)和SD卡。ATmegal28是一種8位RISC單片機(jī)，具有多達(dá)4 KB的RAM、128 KB的內(nèi)部Flash和豐富的外設(shè)。軟件平臺(tái)是WINAVR，具有代碼優(yōu)化能力強(qiáng)和完全免費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)。

1．2 移植步驟
  1．2．1 編寫SPI和SD卡接口代碼
    本文使用SD卡的SPI通信模式。SD卡的DI接MOSI，DO接MISO，CS接SS。這就需要ATmegal28提供SPI讀／寫接口代碼，主要包括初始化、讀和寫。SPI初始化包括SPI相關(guān)寄存器的初始化和相關(guān)I／O口的初始化。將ATmega 128的SPI配置成主機(jī)模式、數(shù)據(jù)高位先傳、時(shí)鐘速率為二分之一系統(tǒng)時(shí)鐘等。代碼如下：

SPCR=(O<<SPIE)|
     (1<<SPE)|
     (O<<DORD) |
     (1<<MSTR)|
     (O<<CPOL) |
     (O<<CPHA)|
     (O<<SPR1) |
     (O<<SPRO)；
SPSR|=(1<<SPI2X)；

    接著配置I／O口的輸入／輸出。MOSI腳和Ss腳配置成輸出，MISO腳配置成輸入。然后，就可以進(jìn)行讀／寫了。

    讀1個(gè)字節(jié)的SPI接口代碼：

    static BYTE rcvr_spi(void){
           SPDR=OxFF；
           loop_until_bit_is_set(SPSR，SPIF)；
           return SPDR；
    ｝
    寫1個(gè)字節(jié)的SPI接口代碼：
    static void xmit_spi(BYTE dat){
           SPDR=dat；
           loop_until_bit_is_set(SPSR，SPIF)
    ｝

    在具備SPI讀／寫接口的基礎(chǔ)上編寫SD卡接口代碼，需要編寫3個(gè)基本接口函數(shù)：

    ①向SD卡發(fā)送1條命令：
    Static BYTE send-cmd(BYTE cmd，DWORD arg)；
    ②向SD卡發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)包：
    Static BOOL xmit—datablock(const BYTE *buff，BYTE token)；
    ③從SD卡接收1個(gè)數(shù)據(jù)包：
    static BCK]L rcvr-datablock(BYTE*buff，UINT btr)；

1．2．2 編寫DiskIO
    編寫好存儲(chǔ)媒介的接口代碼后，就可以編寫DiskIO了，DiskIO結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    Tiny—FatFs的移植實(shí)際上需要編寫6個(gè)接口函數(shù)，分別是：

    ①DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)；

    存儲(chǔ)媒介初始化函數(shù)。由于存儲(chǔ)媒介是SD卡，所以實(shí)際上是對(duì)SD卡的初始化。drv是存儲(chǔ)媒介號(hào)碼，由于Tinv—FatFs只支持一個(gè)存儲(chǔ)媒介，所以drv應(yīng)恒為O。執(zhí)行無誤返回0，錯(cuò)誤返回非O。
    ②DSTATUS disk_status(BYTE drV)；

    狀態(tài)檢測函數(shù)。檢測是否支持當(dāng)前的存儲(chǔ)媒介，對(duì)Tinv—FatFs來說，只要drv為0，就認(rèn)為支持，然后返回O。
    ③DRESULT disk_read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE．count)；

    讀扇區(qū)函數(shù)。在SD卡讀接口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫，*buff存儲(chǔ)已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)，sector是開始讀的起始扇區(qū)，count是需要讀的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)。執(zhí)行無誤返回O，錯(cuò)誤返回非0。

    ④DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count)；

    寫扇區(qū)函數(shù)。在SD卡寫接口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫，*buff存儲(chǔ)要寫入的數(shù)據(jù)，sector是開始寫的起始扇區(qū)count是需要寫的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)512個(gè)字節(jié)。執(zhí)行無誤返回O，錯(cuò)誤返回非0。

    ⑤DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)；

    存儲(chǔ)媒介控制函數(shù)。ctrl是控制代碼，*buff存儲(chǔ)或接收控制數(shù)據(jù)。可以在此函數(shù)里編寫自己需要的功能代碼，比如獲得存儲(chǔ)媒介的大小、檢測存儲(chǔ)媒介的上電與否存儲(chǔ)媒介的扇區(qū)數(shù)等。如果是簡單的應(yīng)用，也可以不用編寫，返回O即可。

    ⑥D(zhuǎn)WORD get_fattime(Void)；

    實(shí)時(shí)時(shí)鐘函數(shù)。返回一個(gè)32位無符號(hào)整數(shù)，時(shí)鐘信息包含在這32位中，如下所示：
    bit31：25 年(O．．127)從1980年到現(xiàn)在的年數(shù)
    bit24：21 月(1…12)
    bit20：16 日(1．．31)
    bitl5．1] 時(shí)(O．．23)
    bitl0：5 分(O．．59)
    bit4：0 秒／2(0．．29)

    如果用不到實(shí)時(shí)時(shí)鐘，也可以簡單地返回一個(gè)數(shù)。正確編寫完DiskIO，移植工作也就基本完成了，接下來的工作就是對(duì)Tiny—FatFs進(jìn)行配置。

2 Tiny—FatFs的配置

    Tiny—FatFs是一款可配置可裁減的文件系統(tǒng)，使用者可以選擇自己需要的功能。Tiny—FatFs總共有5個(gè)文件，分別是tff．c、tff．h、diskio．c、diskio．h和integer．h。tff_c和integer．h一般不用改動(dòng)，前面的移植工作主要更改的是diskio．c，而配置Tiny—FatFs則主要修改tff．h和diskio．h。

    在diskio．h中，使用者可以根據(jù)需要使能disk—write或disk_ioetl。以下代碼使能disk_write和disk_ioctl：
    #define—R'EADONLY 0
    #define—USE_IOCTL 1

    在tff．h中，使用者可以根據(jù)需要對(duì)整個(gè)文件系統(tǒng)進(jìn)行全面的配置：

    ①   #define_MCU_ENDIAN。有1和2兩個(gè)值可設(shè)，默認(rèn)情況下設(shè)1，以獲得較好的系統(tǒng)性能。如果單片機(jī)是大端模式或者設(shè)為1時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行不正常，則必須設(shè)為2。
    ②  #define_FS_READONLY。設(shè)為1時(shí)將使能只讀操作，程序編譯時(shí)將文件系統(tǒng)中涉及寫的操作全部去掉，以節(jié)省空間。

    ③#define_FS_MINIMIZE。有0、1、2、3四個(gè)選項(xiàng)可設(shè)。設(shè)0表示可以使用全部Tiny-FatFs提供的用戶函數(shù)；設(shè)1將禁用f_stat、f_getfree、f_unlink、f_mkdir、f_chmod和f_rename；設(shè)2將在1的基礎(chǔ)上禁用f_opendir和f_readdir；設(shè)3將在1和2的基礎(chǔ)上再禁用f_lseek。使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行裁減，以節(jié)省空間。

3 TINY-FatFs 的讀/寫測試

    Tiny-FatFs的功能很強(qiáng)大，提供了豐富而易于使用的用戶接口函數(shù)，如圖3所示。

    Tiny—FatFs的功能很全，本文僅測試f_mount、f_open、f_read、f_write和f_close五個(gè)函數(shù)來讀一個(gè)3.4 MB的文件和寫一個(gè)1MB的文件，文件名分別為testl．dat和test2．dat。主要代碼如下：

    經(jīng)過實(shí)際測試，在單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘為11．059 2 MHz下讀一個(gè)3．4 MB文件耗時(shí)約20 s，平均約170 KB／s；寫一個(gè)1 MB文件耗時(shí)約6s，平均約166 KB／s，在資源有限的單片機(jī)系統(tǒng)下這個(gè)讀／寫速度是相當(dāng)令人滿意的。綜上所述，F(xiàn)atFs Module具有容易移植、功能強(qiáng)大和易于使用的優(yōu)點(diǎn)，適用于小型嵌入式系統(tǒng)；又是完全的免費(fèi)和開源，也可以用于教育科研及其商業(yè)用途。