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[導讀]一種易于移植和使用的文件系統(tǒng)FatFs Moule

引 言

    隨著信息技術的發(fā)展,當今社會的信息量越來越大,以往由單片機構成的系統(tǒng)簡單地對存儲媒介按地址、按字節(jié)的讀/寫已經(jīng)不滿足人們實際應用的需要,于是利用文件系統(tǒng)對存儲媒介進行管理成了今后單片機系統(tǒng)的一個發(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的廣泛應用,在當前的消費類電子產(chǎn)品中,用得最多的還是FAT文件系統(tǒng),如U盤、MP3、MP4、數(shù)碼相機等,所以找到一款容易移植和使用、占用硬件資源相對較小而功能又強大的FAT開源文件系統(tǒng),對于單片機系統(tǒng)設計者來說是很重要的。

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

    ①占用內(nèi)存更少,只要1 KB RAM;

    ②1次僅支持1個存儲介。

    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 移植前的準備

FatFs Module一開始就是為了能在不同的單片機上使用而設計的,所以具有良好的層次結構,如圖1所示。最頂層是應用層,使用者無需理會FatFs Module的內(nèi)部結構和復雜的FAT協(xié)議,只需要調(diào)用FatFs Module提供給用戶的一系列應用接口函數(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,使用時將需要版本的頭文件直接包含進去即可。

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

    本移植硬件平臺使用型號為ATmegal28的AVR單片機和SD卡。ATmegal28是一種8位RISC單片機,具有多達4 KB的RAM、128 KB的內(nèi)部Flash和豐富的外設。軟件平臺是WINAVR,具有代碼優(yōu)化能力強和完全免費的優(yōu)點。

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相關寄存器的初始化和相關I/O口的初始化。將ATmega 128的SPI配置成主機模式、數(shù)據(jù)高位先傳、時鐘速率為二分之一系統(tǒng)時鐘等。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,就可以進行讀/寫了。

    讀1個字節(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/寫接口的基礎上編寫SD卡接口代碼,需要編寫3個基本接口函數(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個數(shù)據(jù)包:
    Static BOOL xmit—datablock(const BYTE *buff,BYTE token);
    ③從SD卡接收1個數(shù)據(jù)包:
    static BCK]L rcvr-datablock(BYTE*buff,UINT btr);

1.2.2 編寫DiskIO
    編寫好存儲媒介的接口代碼后,就可以編寫DiskIO了,DiskIO結構如圖2所示。

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


    ①DSTATUS disk_initialize(BYTE drv);

    存儲媒介初始化函數(shù)。由于存儲媒介是SD卡,所以實際上是對SD卡的初始化。drv是存儲媒介號碼,由于Tinv—FatFs只支持一個存儲媒介,所以drv應恒為O。執(zhí)行無誤返回0,錯誤返回非O。
    ②DSTATUS disk_status(BYTE drV);

    狀態(tài)檢測函數(shù)。檢測是否支持當前的存儲媒介,對Tinv—FatFs來說,只要drv為0,就認為支持,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)的基礎上編寫,*buff存儲已經(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個扇區(qū)512個字節(jié)。執(zhí)行無誤返回O,錯誤返回非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)的基礎上編寫,*buff存儲要寫入的數(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個扇區(qū)512個字節(jié)。執(zhí)行無誤返回O,錯誤返回非0。

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

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

    ⑥D(zhuǎn)WORD get_fattime(Void);

    實時時鐘函數(shù)。返回一個32位無符號整數(shù),時鐘信息包含在這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(O..23)
    bitl0:5 分(O..59)
    bit4:0 秒/2(0..29)

    如果用不到實時時鐘,也可以簡單地返回一個數(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Tiny—FatFs進行配置。

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,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)需要對整個文件系統(tǒng)進行全面的配置:

    ①   #define_MCU_ENDIAN。有1和2兩個值可設,默認情況下設1,以獲得較好的系統(tǒng)性能。如果單片機是大端模式或者設為1時系統(tǒng)運行不正常,則必須設為2。
    ②  #define_FS_READONLY。設為1時將使能只讀操作,程序編譯時將文件系統(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、3四個選項可設。設0表示可以使用全部Tiny-FatFs提供的用戶函數(shù);設1將禁用f_stat、f_getfree、f_unlink、f_mkdir、f_chmod和f_rename;設2將在1的基礎上禁用f_opendir和f_readdir;設3將在1和2的基礎上再禁用f_lseek。使用者可以根據(jù)需要進行裁減,以節(jié)省空間。


3 TINY-FatFs 的讀/寫測試

    Tiny-FatFs的功能很強大,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五個函數(shù)來讀一個3.4 MB的文件和寫一個1MB的文件,文件名分別為testl.dat和test2.dat。主要代碼如下:

   

    經(jīng)過實際測試,在單片機系統(tǒng)時鐘為11.059 2 MHz下讀一個3.4 MB文件耗時約20 s,平均約170 KB/s;寫一個1 MB文件耗時約6s,平均約166 KB/s,在資源有限的單片機系統(tǒng)下這個讀/寫速度是相當令人滿意的。綜上所述,F(xiàn)atFs Module具有容易移植、功能強大和易于使用的優(yōu)點,適用于小型嵌入式系統(tǒng);又是完全的免費和開源,也可以用于教育科研及其商業(yè)用途。

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