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第二十二章 FATFS实验
上一章,我们学习了SD卡的使用,并实现了简单的读写扇区功能。在电脑上我们的资料常以文件的形式保存,通过文件名我们可以快速对自己的文件数据等进行分类。对于SD卡这种容量可以达到非常大的存储介质,按扇区去管理数据已经变得不方便,我们希望单片机也可以像电脑一样方便地用文件的形式去管理,在需要做数据采集的场合也会更加便利。
本章,我们将介绍FATFS这个软件工具,利用它在Kendryte K210上实现类似电脑上的文件管理功能,方便管理SD卡上的数据。
本章分为如下几个小节:
22.1 FATFS简介
22.2 硬件设计
22.3 程序设计
22.4 运行验证
22.1 FATFS简介
FATFS是一个完全免费开源的FAT/exFAT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(ANSI C C89)编写,所以具有良好的硬件平台独立性,只需做简单的修改就可以移植到8051、PIC、AVR、ARM、Z80、RX等系列单片机上。它支持FATl2、FATl6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:
Windows/dos系统兼容的FAT/exFAT文件系统
独立于硬件平台,方便跨硬件平台移植
代码量少、效率高
多种配置选项
支持多卷(物理驱动器或分区,最多10个卷)
多个ANSI/OEM代码页包括DBCS
支持长文件名、ANSI/OEM或Unicode
支持RTOS
支持多种扇区大小
只读、最小化的API和I/O缓冲区等
新版的exFAT文件系统,突破了原来FAT32对容量管理32Gb的上限,可支持更巨大的存储
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模块的层次结构如图22.1.1所示:
图22.1.1 FATFS层次结构图
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(diskI/O)和供给文件创建修改时间的实时时钟。
FATFS的源码及英文详述,大家可以在:http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html这个网站下载到,教程目前使用的版本为R0.15。本章我们就使用最新版本的FATFS作为介绍,下载最新版本的FATFS软件包,解压后可以得到两个文件夹:doc和src。doc里面主要是对FATFS的介绍,而src里面才是我们需要的源码。source文件夹详情表,如表22.1.1.1所示:
表22.1.1.1 FATFS的源码文件介绍
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。
1)FF_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)FF _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)FF _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,本章我们需要用到,故设置这里为1。
4)FF _USE_MKFS。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)FF _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)FF _USE_LABEL。这个用来设置是否支持磁盘盘符(磁盘名字)读取与设置。我们设置为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)FF _CODE_PAGE。这个用于设置语言类型,包括很多选项(见FATFS官网说明),我们这里设置为936,即简体中文(GBK码,同一个文件夹下的ffunicode.c根据这个宏选择对应的语言设置)。
8)FF_USE_LFN。该选项用于设置是否支持长文件名(还需要_CODE_PAGE支持),取值范围为0~3。0,表示不支持长文件名,1~3是支持长文件名,但是存储地方不一样,我们选择使用3,通过ff_memalloc函数来动态分配长文件名的存储区域。
9)FF_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)FF_MAX_SS。扇区缓冲的最大值,一般设置为512。
11)FF_FS_EXFAT。新版本增加的功能,使用exFAT文件系统,用于支持超过32Gb的超大存储。它们使用的是exFAT文件系统,使用它时必须要根据设置FF_USE_LFN这个参数的值以决定exFATs系统使用的内存来自堆栈还是静态数组。
其他配置项,我们这里就不一一介绍了,FATFS的说明文档里面有很详细的介绍,大家自己阅读http://elm-chan.org/fsw/ff/doc/config.html即可。下面我们来讲讲FATFS的移植,FATFS的移植主要分为3步:
①数据类型:在integer.h里面去定义好数据的类型。这里需要了解你用的编译器的数据类型,并根据编译器定义好数据类型。
②配置:通过ffconf.h配置FATFS的相关功能,以满足你的需要。
③函数编写:打开diskio.c,进行底层驱动编写,需要编写5个接口函数,如下图所示:
图22.1.2 diskio需要实现的函数
通过以下三步,我们即可完成对FATFS的移植。
第一步,我们使用的是VSCode,数据类型和integer.h里面定义的一致,所以此步,我们不需要做任何改动。
第二步,关于ffconf.h里面的相关配置,我们几乎没有做任何修改,将FF_STR_VOLUME_ID配置为2和FF_FS_NORTC配置为1即可,其他的配置用默认配置。
第三步,因为FATFS模块完全与磁盘I/O层分开,因此需要下面的函数来实现底层物理磁盘的读写与获取当前时间。底层磁盘I/O模块并不是FATFS的一部分,并且必须由用户提供。这些函数一般有5个,在diskio.c里面。
首先是disk_initialize函数,该函数介绍如表22.1.2所示:
表22.1.2 disk_initialize函数介绍
第二个函数是disk_status函数,该函数介绍如表22.1.3所示:
表22.1.3 disk_status函数介绍
第三个函数是disk_read函数,该函数介绍如表22.1.4所示:
表22.1.4 disk_read函数介绍
第四个函数是disk_write函数,该函数介绍如表22.1.5所示:
表22.1.5 disk_write函数介绍
第五个函数是disk_ioctl函数,该函数介绍如表22.1.6所示:
表22.1.6 disk_ioctl函数介绍
以上五个函数,我们将在软件设计部分一一实现。通过以上3个步骤,我们就完成了对FATFS的移植,就可以在我们的代码里面使用FATFS了。
FATFS提供了很多API函数,这些函数FATFS的自带介绍文件里面都有详细的介绍(包括参考代码),我们这里就不多说了。这里需要注意的是,在使用FATFS的时候,必须先通过f_mount函数注册一个工作区,才能开始后续API的使用,关于FATFS的介绍,我们就介绍到这里。大家可以通过FATFS自带的介绍文件进一步了解和熟悉FATFS的使用。
22.2 硬件设计
22.2.1 例程功能
1.开机的时候初始化SD卡,为SD卡注册一个工作区,然后读取SD卡的根目录信息并通过USB串口打印,最后FATFS文件系统卸载SD卡工作区,LCD模块上显示相关信息。
22.2.2 硬件资源
1. SD CARD
TF_MISO - IO26
TF_SCK - IO27
TF_MOSI - IO28
TF_CS - IO29
2. LCD
LCD_RD - IO34
LCD_BL - IO35
LCD_CS - IO36
LCD_RST - IO37
LCD_RS - IO38
LCD_WR - IO39
LCD_D0~LCD_D7 - SPI0_D0~SPI0_D7
22.2.3 原理图
本章实验内容,主要讲解FATFS文件系统的使用,无需关注原理图。
22.3 程序设计
22.3.1 FATFS驱动代码
这里我们只讲解核心代码,详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。
diskio.c/.h为我们提供了规定好的底层驱动接口的返回值。这个函数需要使用到我们的硬件接口,所以需要把使用到的硬件驱动的头文件包进来。
- #include "ff.h" /* Obtains integer types */
- #include "diskio.h" /* Declarations of disk functions */
- #include "../SDCARD/sdcard.h"
复制代码 按照23.1的描述,接下来我们来对这几个接口进行补充实现。本章,我们用FATFS管理了1个磁盘:SD卡,我们设置DEV_SD为0,对应到disk_read/disk_write函数里面。
- /* Definitions of physical drive number for each drive */
- #define DEV_SD 0
复制代码 另外,diskio.c里面的函数,我们用磁盘编号(盘符/卷标)所对应的具体设备,比如,我们要在SD卡操作数据,就用磁盘编号0,然后通过switch来判断和操作SD卡,同时也方便其他磁盘的扩展。
1. disk_initialize函数
要使用一个外设首先要对它进行初始化,所以先看sd卡的初始化函数,其声明如下:
- DSTATUS disk_initialize ( BYTE pdrv)
复制代码 函数描述:
初始化指定编号的磁盘,磁盘所指定的存储区。使用每个磁盘前进行初始化,那在代码中直接根据编号调用硬件的初始化接口即可,这样也能保证代码的扩展性,硬件的顺序可以根据自己的喜好定义。
函数形参:
形参1是FATFS管理的磁盘编号pdrv : 磁盘编号0~9,我们配置FF_VOLUMES为1来支持一个磁盘,因此磁盘编号只有0。
代码实现如下:
- DSTATUS disk_initialize (
- BYTE pdrv /* Physical drive nmuber to identify the drive */
- )
- {
- DSTATUS stat;
- int result;
- switch (pdrv) {
- case DEV_SD :
- result = sd_init();
- // translate the reslut code here
- if (result == 0)
- {
- stat = 0;
- }
- else
- {
- stat = STA_NOINIT;
- }
- return stat;
- }
- return STA_NOINIT;
- }
复制代码 函数返回值:
DSTATUS枚举类型的值,FATFS规定了自己的返回值来管理各接口函数的操作结果,方便后续函数的操作和判断,我们看看它的定义:
- /* Status of Disk Functions */
- typedef BYTE DSTATUS;
- /* Disk Status Bits (DSTATUS) */
- #define STA_NOINIT 0x01 /* Drive not initialized */
- #define STA_NODISK 0x02 /* No medium in the drive */
- #define STA_PROTECT 0x04 /* Write protected */
复制代码 定义时也写出了各个参数的含义,根据ff.c中的调用实例可知操作返回0才是正常的状态,其它情况发生的话就需要结合硬件进行分析了。
2. disk_status函数
要使用一个外设首先要对它进行初始化,所以先看sdio的初始化函数,其声明如下:
- DSTATUS disk_status (BYTE pdrv)
复制代码 函数描述:
可以随时查询对应的SD卡的状态。我们硬件初始化后就
函数形参:
形参1是FATFS管理的磁盘编号pdrv : 磁盘编号0~9,我们配置FF_VOLUMES为1来支持一个磁盘,因此可选值为0。
为了简单测试,所以我们这里没有加入硬件状态的判断,代码也不贴出来了。
函数返回值:
直接返回RES_OK。
3. disk_read函数
disk_read实现直接从硬件接口读取数据,这个为接口FATFS的其它读操作接口函数调用,其声明如下:
- DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)
复制代码 函数描述:
初始化指定编号的磁盘,磁盘所指定的存储区。
函数形参:
形参1:是FATFS管理的磁盘编号pdrv : 磁盘编号0~9,我们配置FF_VOLUMES为1来支持一个磁盘,因此可选值为0。
形参2:buff指向要保存数据的内存区域指针,为字节类型。
形参3:sector为实际物理操作时要访问的扇区地址。
形参4:count为本次要读取的数据量,最长为unsigned int,读到的数量为字节数。
代码实现如下,同样要根据我们定义的设备标号,在swich-case中添加对应硬件的驱动:
- DRESULT disk_read (
- BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
- BYTE *buff, /* Data buffer to store read data */
- LBA_t sector, /* Start sector in LBA */
- UINT count /* Number of sectors to read */
- )
- {
- DRESULT res;
- int result;
- switch (pdrv) {
- case DEV_SD :
- // translate the arguments here
- // result = sd_read_sector_dma(buff, sector, count);
- result = sd_read_sector(buff, sector, count);
- // translate the reslut code here
- if (result == 0)
- {
- res = RES_OK;
- }
- else
- {
- res = RES_ERROR;
- }
- return res;
- }
- return RES_PARERR;
- }
复制代码 函数返回值:
DRESULT为枚举类型,diskio.h中有其定义,我们也引用如下:
- /* Results of Disk Functions */
- typedef enum {
- RES_OK = 0, /* 0: Successful */
- RES_ERROR, /* 1: R/W Error */
- RES_WRPRT, /* 2: Write Protected */
- RES_NOTRDY, /* 3: Not Ready */
- RES_PARERR /* 4: Invalid Parameter */
- } DRESULT;
复制代码 根据返回值的含义确认操作结果即可。
4. disk_write函数
disk_write实现直接从硬件接口读取数据,这个接口为FATFS的其它写操作接口函数调用,其声明如下:
- DRESULT disk_write ( BYTE pdrv, const BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)
复制代码 函数描述:
初始化指定编号的磁盘,磁盘所指定的存储区。
函数形参:
形参1是FATFS管理的磁盘编号pdrv : 磁盘编号0~9,我们配置FF_VOLUMES为1来支持一个磁盘,因此可选值为0。
形参2:buff指向要保存数据的内存区域指针,为字节类型。
形参3:sector为实际物理操作时要访问的扇区地址。
形参4:count为本次要读取的数据量,最长为unsigned int,读到的数量为字节数。
代码实现如下,同样要根据我们定义的设备标号,在switch-case中添加对应硬件的驱动:
- DRESULT disk_write (
- BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
- const BYTE *buff, /* Data to be written */
- LBA_t sector, /* Start sector in LBA */
- UINT count /* Number of sectors to write */
- )
- {
- DRESULT res;
- int result;
- switch (pdrv) {
- case DEV_SD :
- // translate the arguments here
- // result = sd_write_sector_dma((uint8_t *)buff, sector, count);
- result = sd_write_sector((uint8_t *)buff, sector, count);
- // translate the reslut code here
- if (result == 0)
- {
- res = RES_OK;
- }
- else
- {
- res = RES_ERROR;
- }
- return res;
- }
- return RES_PARERR;
- }
复制代码 函数返回值:
DRESULT为枚举类型,diskio.h中有其定义,编写读函数时已经介绍了,注意要把返回值转成这个枚举类型的参数。
5. disk_ioctl函数
disk_ioctl实现一些控制命令,这个接口为FATFS提供一些硬件操作信息,其声明如下:
- DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff)
复制代码 函数描述:
初始化指定编号的磁盘,磁盘所指定的存储区。
函数形参:
形参1:是FATFS管理的磁盘编号pdrv : 磁盘编号0~9,我们配置FF_VOLUMES为1来支持一个磁盘,因此可选值为0。
形参2:cmd是FATFS定义好的一些宏,用于访问硬盘设备的一些状态。我们实现几个简单的操作接口,用于获取磁盘容量这些基础信息(diskio.h中已经定义好了),为方便,我们先只实现几个标准的应用接口,关于SDIO/MMC的一些扩展命令我们再根据需要进行支持。
- /* Command code for disk_ioctrl fucntion */
- /* Generic command (Used by FatFs) */
- #define CTRL_SYNC 0 /* 完成挂起的写入过程(当FF_FS_READONLY == 0) */
- #define GET_SECTOR_COUNT 1 /* 获取磁盘扇区数(当FF_USE_MKFS == 1) */
- #define GET_SECTOR_SIZE 2 /*获取磁盘存储空间大小 (当FF_MAX_SS != FF_MIN_SS) */
- #define GET_BLOCK_SIZE 3 /* 每个扇区块的大小 (当FF_USE_MKFS == 1) */
复制代码 下面是从http://elm-chan.org/fsw/ff/doc/dioctl.html得到的参数实现效果,我们也可以参考原有的disk_ioctl的实现来理解这几个参数。
形参3 buff为void形指针,根据命令的格式和需要,我们把对应的值转成对应的形式传给它。
参考原有的disk_ioctl的实现,我们的函数实现如下。
- DRESULT disk_ioctl (
- BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
- BYTE cmd, /* Control code */
- void *buff /* Buffer to send/receive control data */
- )
- {
- DRESULT res;
- int result;
- switch (pdrv) {
- case DEV_SD :
- // Process of the command for the RAM drive
- switch (cmd)
- {
- case CTRL_SYNC:
- result = 0;
- break;
- case GET_SECTOR_COUNT:
- *(DWORD *)buff = (cardinfo.SD_csd.DeviceSize + 1) << 10;
- result = 0;
- break;
- case GET_SECTOR_SIZE:
- *(WORD *)buff = cardinfo.CardBlockSize;
- result = 0;
- break;
- case GET_BLOCK_SIZE:
- *(DWORD *)buff = cardinfo.CardBlockSize;
- result = 0;
- break;
- default:
- result = 0xFF;
- break;
- }
-
- if (result == 0)
- {
- res = RES_OK;
- }
- else
- {
- res = RES_ERROR;
- }
- return res;
- }
- return RES_PARERR;
- }
复制代码 函数返回值:
DRESULT为枚举类型,diskio.h中有其定义,编写读函数时已经介绍了,注意要把返回值转成这个枚举类型的参数。
以上实现了我们22.1节提到的5个函数。
至此,我们已经可以直接使用FATFS下的ff.c下的f_mount的接口挂载磁盘,然后使用类似标准C的文件操作函数,就可以实现文件操作。
22.3.2 main.c代码
main.c中的代码如下所示:
- int main(void)
- {
- FRESULT res;
- FATFS fs;
- DIR dir;
- FILINFO info;
- sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL0, 800000000);
- sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL1, 400000000);
- sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL2, 45158400);
- sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK6, SYSCTL_POWER_V18);
- sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK7, SYSCTL_POWER_V18);
- sysctl_set_spi0_dvp_data(1);
- lcd_init(); /* 初始化LCD */
- lcd_set_direction(DIR_YX_LRUD);
- /* Initialize SD card */
- if (sd_init() != 0)
- {
- printf("SD card initialization failed!\n");
- while (1);
- }
- printf("SD card initialization succeed!\n");
- lcd_draw_string(10, 10, "SD card initialization succeed!", BLUE);
- /* 显示提示信息 */
- /* Filesystem mount SD card */
- res = f_mount(&fs, _T("/SD"), 1);
- if (res != FR_OK)
- {
- printf("SD card mount failed! Error code: %d\n", res);
- while (1);
- }
- printf("SD card mount succeed!\n");
- lcd_draw_string(10, 30, "SD card mount succeed!", BLUE); /* 显示提示信息 */
- /* Open SD card root folder */
- res = f_opendir(&dir, _T("/SD"));
- if (res != FR_OK)
- {
- printf("SD card root folder open failed! Error code: %d\n", res);
- while (1);
- }
- printf("SD card root folder open succeed!\n");
- lcd_draw_string(10, 50, "SD card root folder open succeed!", BLUE); /* 显示提示信息 */
- /* Read SD card root folder */
- while (1)
- {
- res = f_readdir(&dir, &info);
- if (res != FR_OK)
- {
- printf("SD card root folder read failed! Error code: %d\n", res);
- while (1);
- }
- if (info.fname[0] == '\0')
- {
- break;
- }
- printf("\t%s\n", info.fname);
- }
- printf("SD card root folder read succeed!\n");
- lcd_draw_string(10, 70, "SD card root folder read succeed!", BLUE); /* 显示提示信息 */
- /* Close SD card root folder */
- res = f_closedir(&dir);
- if (res != FR_OK)
- {
- printf("SD card root folder close failed! Error code: %d\n", res);
- while (1);
- }
- printf("SD card root folder close succeed!\n");
- /* Filesystem unmount SD card */
- res = f_unmount(_T("/SD"));
- if (res != FR_OK)
- {
- printf("SD card unmount failed! Error code: %d\n", res);
- while (1);
- }
- printf("SD card unmount succeed!\n");
- lcd_draw_string(10, 90, "FATFS OK!", BLUE); /* 显示提示信息 */
- while (1)
- {
-
- }
- }
复制代码 main函数代码具体流程大致是:首先完成系统级和LCD、SD卡初始化工作,然后注册SD卡工作区,注册成功后进入SD卡的根目录,读取SD卡根目录的文件信息并通过USB串口打印输出,最后FATFS文件系统卸载SD卡的工作区然后进入死循环中进行空操作。
22.4 运行验证
将DNK210开发板连接到电脑主机,通过VSCode将固件烧录到开发板中,可以看到LCD显示信息,LCD显示的内容如图22.4.1所示:
图22.4.1 FATFS实验程序运行效果图
等待LCD显示器显示FATFS OK!可通过串口调试助手查看SD卡根目录信息,得到如图22.4.2所示:
图22.4.2 串口调试助手信息 |
阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!
你熬了10碗粥,别人一桶水倒进去,淘走90碗,剩下10碗给你,你看似没亏,其实你那10碗已经没有之前的裹腹了,人家的一桶水换90碗,继续卖。说白了,通货膨胀就是,你的钱是挣来的,他的钱是印来的,掺和在一起,你的钱就贬值了。
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