一種易于移植和使用的文件系統FatFs Moule

引 言

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，當今社會(huì )的信息量越來(lái)越大，以往由單片機構成的系統簡(jiǎn)單地對存儲媒介按地址、按字節的讀／寫(xiě)已經(jīng)不滿(mǎn)足人們實(shí)際應用的需要，于是利用文件系統對存儲媒介進(jìn)行管理成了今后單片機系統的一個(gè)發(fā)展方向。目前常用的文件系統主要有微軟的FATl2、FATl6、FAT32、NTFS，以及Linux系統下的EXT2、EXT3等。由于微軟Windows的廣泛應用，在當前的消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，用得最多的還是FAT文件系統，如U盤(pán)、MP3、MP4、數碼相機等，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(kāi)源文件系統，對于單片機系統設計者來(lái)說(shuō)是很重要的。

FatFs Module是一種完全免費開(kāi)源的FAT文件系統模塊，專(zhuān)門(mén)為小型的嵌入式系統而設計。它完全用標準C語(yǔ)言編寫(xiě)，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(jiǎn)單的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多個(gè)存儲媒介；有獨立的緩沖區，可以對多個(gè)文件進(jìn)行讀／寫(xiě)，并特別對8位單片機和16位單片機做了優(yōu)化。FatFs Module有個(gè)簡(jiǎn)化版本Tiny―FatFs，它跟完全版FatFs的不同之處主要有兩點(diǎn)：

①占用內存更少，只要1 KB RAM；

②1次僅支持1個(gè)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(kāi)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(wú)需理會(huì )FatFs Module的內部結構和復雜的FAT協(xié)議,只需要調用FatFs Module提供給用戶(hù)的一系列應用接口函數,如f_open,f_read,f_write、f_close等，就可以像在PC上讀／寫(xiě)文件那樣簡(jiǎn)單。

中間層FatFs Module實(shí)現了FAT文件讀／寫(xiě)協(xié)議。FatFs Module的完全版提供的是ff．c、ff．h，簡(jiǎn)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(xiě)移植代碼的是FatFs Module提供的底層接口，它包括存儲媒介讀／寫(xiě)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(diǎn)。

1．2 移植步驟
1．2．1 編寫(xiě)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(xiě)接口代碼，主要包括初始化、讀和寫(xiě)。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配置成主機模式、數據高位先傳、時(shí)鐘速率為二分之一系統時(shí)鐘等。代碼如下：

SPCR=(OSPIE)|
(1SPE)|
(ODORD) |
(1MSTR)|
(OCPOL) |
(OCPHA)|
(OSPR1) |
(OSPRO)；
SPSR|=(1SPI2X)；

接著(zhù)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(xiě)了。

讀1個(gè)字節的SPI接口代碼：

static BYTE rcvr_spi(void){
SPDR=OxFF；
loop_until_bit_is_set(SPSR，SPIF)；
return SPDR；
｝
寫(xiě)1個(gè)字節的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(xiě)接口的基礎上編寫(xiě)SD卡接口代碼，需要編寫(xiě)3個(gè)基本接口函數：

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)數據包：
Static BOOL xmit―datablock(const BYTE *buff，BYTE token)；
③從SD卡接收1個(gè)數據包：
static BCK]L rcvr-datablock(BYTE*buff，UINT btr)；

1．2．2 編寫(xiě)DiskIO
編寫(xiě)好存儲媒介的接口代碼后，就可以編寫(xiě)DiskIO了，DiskIO結構如圖2所示。

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

①DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)；

存儲媒介初始化函數。由于存儲媒介是SD卡，所以實(shí)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(gè)存儲媒介，所以drv應恒為O。執行無(wú)誤返回0，錯誤返回非O。
②DSTATUS disk_status(BYTE drV)；

狀態(tài)檢測函數。檢測是否支持當前的存儲媒介，對Tinv―FatFs來(lái)說(shuō)，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)；

讀扇區函數。在SD卡讀接口函數的基礎上編寫(xiě)，*buff存儲已經(jīng)讀取的數據，sector是開(kāi)始讀的起始扇區，count是需要讀的扇區數。1個(gè)扇區512個(gè)字節。執行無(wú)誤返回O，錯誤返回非0。

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

寫(xiě)扇區函數。在SD卡寫(xiě)接口函數的基礎上編寫(xiě)，*buff存儲要寫(xiě)入的數據，sector是開(kāi)始寫(xiě)的起始扇區count是需要寫(xiě)的扇區數。1個(gè)扇區512個(gè)字節。執行無(wú)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。ctrl是控制代碼，*buff存儲或接收控制數據?？梢栽诖撕瘮道锞帉?xiě)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數等。如果是簡(jiǎn)單的應用，也可以不用編寫(xiě)，返回O即可。

⑥DWORD get_fattime(Void)；

實(shí)時(shí)時(shí)鐘函數。返回一個(gè)32位無(wú)符號整數，時(shí)鐘信息包含在這32位中，如下所示：
bit31：25 年(O．．127)從1980年到現在的年數
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(jiǎn)單地返回一個(gè)數。正確編寫(xiě)完DiskIO，移植工作也就基本完成了，接下來(lái)的工作就是對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，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，使用者可以根據需要對整個(gè)文件系統進(jìn)行全面的配置：

① #define_MCU_ENDIAN。有1和2兩個(gè)值可設，默認情況下設1，以獲得較好的系統性能。如果單片機是大端模式或者設為1時(shí)系統運行不正常，則必須設為2。
② #define_FS_READONLY。設為1時(shí)將使能只讀操作，程序編譯時(shí)將文件系統中涉及寫(xiě)的操作全部去掉，以節省空間。

③#define_FS_MINIMIZE。有0、1、2、3四個(gè)選項可設。設0表示可以使用全部Tiny-FatFs提供的用戶(hù)函數；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。使用者可以根據需要進(jìn)行裁減，以節省空間。

3 TINY-FatFs 的讀/寫(xiě)測試

Tiny-FatFs的功能很強大，提供了豐富而易于使用的用戶(hù)接口函數，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)函數來(lái)讀一個(gè)3.4 MB的文件和寫(xiě)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(guò)實(shí)際測試，在單片機系統時(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(xiě)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系統下這個(gè)讀／寫(xiě)速度是相當令人滿(mǎn)意的。綜上所述，FatFs Module具有容易移植、功能強大和易于使用的優(yōu)點(diǎn)，適用于小型嵌入式系統；又是完全的免費和開(kāi)源，也可以用于教育科研及其商業(yè)用途。