FatFS文件系统在MCU上的应用

2023-09-21 08:43:38

FatFS文件系统是单片机领域有名的一个文件系统，由于它的轻量级和兼容性，备受MCU开发者青睐。

在实现如U盘文件读写，SD卡的文件读写等工作时，我们往往需要一个文件系统来支持我们的工作。特别在一些MCU应用中，文件系统的加入能明显改善系统交互的友好性。

在这一篇中，我们就来讨论FatFS文件系统在STM32F4上的移植和应用。

1、准备工作

在开始FatFS的移植之前我们需要做一些必要的准备工作。首先需要准备相应的硬件平台，我们在这里使用的是STM32F407VET6的操作平台。USB硬件相关的库的移植工作也已完成。

其次我们还需要准备FatFS的相关源码，在这里我们使用最新的R0.14b版本，该文件可在网站下载：

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

下载的源码解压后有两个文件夹：document和source，其中document文件夹中是相关的文档资料，与网站上的内容一样，在移植时可以查看这些文档来工作。Source文件夹中则是源码相关的文件，主要包括：

图片

在上图所示的一系列文件中，00readme.txt文件有对各个文件的介绍，我们查看其内容如下：

00readme.txtreadme文件
00history.txt版本记录文件
ff.cFatFs模块
ffconf.hFatFs模块的配置文件
ff.hFatFs应用模块的头文件
diskio.hFatFs和磁盘IO模块的头文件
diskio.c一个将磁盘IO函数附加到FatFS的实例
ffunicode.cUnicode编码功能函数
ffsystem.c可选的操作系统相关文件实例

在这些文件中，ff.c和ff.h是核心文件。ffunicode.c是字符编码，会根据配置文件的配置选择编码。ffsystem.c文件根据自己的需要决定。所以与具体的应用平台相关的，并需要我们来实现的文件是配置文件ffconf.h和磁盘操作文件diskio.h与diskio.c，这几个文件也是我们移植的重点。

2、实现移植

  我们已经完成了移植的准备工作，接下来就来实现面向大容量U盘的应用移植。前面我们已经说过，移植需要处理的文件是配置文件ffconf.h和磁盘操作文件diskio.h与diskio.c。

  关于配置文件ffconf.h其实它本身有一个实例，我们只需要根据需要修改配置就好。这里我们需要修改的配置参数包括：

  所支持的编码方式配置参数FF_CODE_PAGE，这个关系到文件编码的问题，我们将其配置为简体中文支持。

  逻辑驱动器的数量配置参数FF_VOLUMES，FatFS可以同时应用于多个驱动器，所以我们需要根据实际情况配置驱动器的数量。

  时间戳配置参数FF_FS_NORTC，我们大多时候并不需要记录时间戳，所以在这里我们将其关闭。

  余下就是实现磁盘IO操作的相关函数，在FatFS的帮助文档中告诉了我们需要实现的函数有两类：一类是磁盘设备控制相关的函数，主要是获取设备状态函数、初始化设备函数、读取数据函数、写入数据函数以及控制设备相关功能函数；二类是实时时钟操作函数，主要是获取当前时间函数。所以实现这6个函数就是移植的主要工作。

2.1、获取设备状态函数

  磁盘状态检测函数disk_status。用于检测磁盘状态，在ff.c文件中会被调用。其函数原型如下：

  DSTATUS disk_status(BYTE drV)；

  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘状态获取函数如下：

/*用于USBH的状态获取函数*/
static DSTATUS USBH_status(BYTE lun)
{
DRESULT res = RES_ERROR;

if(USBH_MSC_UnitIsReady(&hUsbHostFS, lun))
{
 res = RES_OK;
}
else
{
 res = RES_ERROR;
}

return res;
}

2.2、初始化设备函数

  存储媒介初始化函数disk_initialize。用于对磁盘设备进行初始化，在ff.c文件中会被调用。其函数原型如下：

  DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)；

  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘驱动器初始化函数，但这里我们其实不需要，因为在USB HOST库中已经完成了初始化，所以直接返回正确就可以了。

/*用于USBH的初始化函数*/
static DSTATUS USBH_initialize(BYTE lun)
{
 //USB HOST库中已经完成了初始化
return RES_OK;
}

2.3、读取数据

  读扇区函数disk_read。用于实现对磁盘数据的读取，根据具体的磁盘IO编写，在ff.c文件中会被调用。其函数原型如下：

  DRESULT disk_read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE．count)；

  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘数据读取函数如下：

/*用于USBH的读扇区函数*/
static DRESULT USBH_read(BYTE lun, BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;

if(USBH_MSC_Read(&hUsbHostFS, lun, sector, buff, count) == USBH_OK)
{
 res = RES_OK;
}
else
{
 USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUsbHostFS, lun, &info);

 switch (info.sense.asc)
{
 case SCSI_ASC_LOGICAL_UNIT_NOT_READY:
 case SCSI_ASC_MEDIUM_NOT_PRESENT:
 case SCSI_ASC_NOT_READY_TO_READY_CHANGE:
  USBH_ErrLog ("USB Disk is not ready!");
  res = RES_NOTRDY;
  break;

 default:
  res = RES_ERROR;
  break;
}
}

return res;
}

2.4、写入数据

  写扇区函数disk_write。用于实现对磁盘数据的写入，根据具体的磁盘IO编写，在ff.c文件中会被调用。其函数原型如下：

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

  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘数据写入函数如下：

/*用于USBH的写扇区函数*/
static DRESULT USBH_write(BYTE lun, const BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;

if(USBH_MSC_Write(&hUsbHostFS, lun, sector, (BYTE *)buff, count) == USBH_OK)
{
 res = RES_OK;
}
else
{
 USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUsbHostFS, lun, &info);

 switch (info.sense.asc)
{
 case SCSI_ASC_WRITE_PROTECTED:
  USBH_ErrLog("USB Disk is Write protected!");
  res = RES_WRPRT;
  break;

 case SCSI_ASC_LOGICAL_UNIT_NOT_READY:
 case SCSI_ASC_MEDIUM_NOT_PRESENT:
 case SCSI_ASC_NOT_READY_TO_READY_CHANGE:
  USBH_ErrLog("USB Disk is not ready!");
  res = RES_NOTRDY;
  break;

 default:
  res = RES_ERROR;
  break;
}
}

return res;
}

2.5、控制设备相关功能

  存储媒介控制函数disk_ioctl。可以在此函数里编写自己需要的功能代码，比如获得存储媒介的大小、检测存储媒介的上电与否存储媒介的扇区数等。如果是简单的应用，也可以不用编写。其函数原型如下：

  DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)；  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘设备控制相关功能函数如下：

/*USBH IO控制函数 */
static DRESULT USBH_ioctl(BYTE lun, BYTE cmd, void *buff)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;

switch (cmd)
{
/* Make sure that no pending write process */
case CTRL_SYNC:
 res = RES_OK;
 break;

/* Get number of sectors on the disk (DWORD) */
case GET_SECTOR_COUNT :
 if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUsbHostFS, lun, &info) == USBH_OK)
{
  *(DWORD*)buff = info.capacity.block_nbr;
  res = RES_OK;
}
 else
{
  res = RES_ERROR;
}
 break;

/* Get R/W sector size (WORD) */
case GET_SECTOR_SIZE :
 if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUsbHostFS, lun, &info) == USBH_OK)
{
  *(DWORD*)buff = info.capacity.block_size;
  res = RES_OK;
}
 else
{
  res = RES_ERROR;
}
 break;

 /* Get erase block size in unit of sector (DWORD) */
case GET_BLOCK_SIZE :

 if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUsbHostFS, lun, &info) == USBH_OK)
{
  *(DWORD*)buff = info.capacity.block_size / USB_DEFAULT_BLOCK_SIZE;
  res = RES_OK;
}
 else
{
  res = RES_ERROR;
}
 break;

default:
 res = RES_PARERR;
}

return res;
}

2.6、获取当前时间

  实时时钟函数get_fattime。用于获取当前时间，返回一个32位无符号整数，时钟信息包含在这32位中。如果不使用时间戳，可以直接返回一个数，如0。其函数原型如下：

  DWORD get_fattime(Void)；

  根据其原型定义以及我们USB大容量存储设备的要求，我们可以实现磁盘状态获取函数如下：

/*读取时钟函数*/
DWORD get_fattime(void)
{

return 0;

}

  完成上述6个程序的编写，移植工作也就基本完成了。大家可能会发现，我们实现的函数名似乎与原型函数不一样，主要是考虑方便在多个存储设备同时存在时进行操作，我们在目标函数中调用我们实现的函数就可以了。

3、应用测试

  我们完成了FatFS的移植，现在来验证移植的是否正确。为此，我们来编写一个应用，向U盘中写入数据到文件以及读取文件的数据等。

/* USB HOST MSC操作函数，这部分功能根据需求设定 */
static void MSC_Application(void)
{
 FRESULT res;                      /* FatFs函数返回值 */
 uint32_t byteswritten, bytesread;           /* 文件读写的数量 */
 uint8_t wtext[] = "This is STM32 working with FatFs!"; /* 写文件缓冲器 */
uint8_t wtext2[] = "这是一个FatFs读写的例子！"; /* 写文件缓冲器 */
uint8_t wtext3[] = "这是一个向文件追加数据的测试！"; /* 写文件缓冲器 */
 uint8_t rtext[100];                  /* 读文件缓冲器 */
 
 /* 注册文件系统对象到FatFs模块 */
 if(f_mount(&USBHFatFS, (TCHAR const*)USBHPath, 0) != FR_OK)
{
   /* 错误处理 */
   Error_Handler();
}
 else
{
   /* 打开一个文件 */
   if(f_open(&USBHFile, "STM32.TXT", FA_OPEN_EXISTING | FA_WRITE) != FR_OK)
  {
     /* 错误处理 */
     Error_Handler();
  }
   else
  {
     res=f_lseek(&USBHFile,f_size(&USBHFile));  //将指针指向文件末
     //res=f_lseek(&USBHFile,100); //将指针指向文件末
     /* 写数据到文件 */
     res = f_write(&USBHFile, wtext, sizeof(wtext), (void *)&byteswritten);
     res = f_write(&USBHFile, "\r\n", sizeof("\r\n")-1, &byteswritten);
     res = f_write(&USBHFile, wtext2, sizeof(wtext2), (void *)&byteswritten);
     res = f_write(&USBHFile, "\r\n", sizeof("\r\n")-1, &byteswritten);
     res = f_write(&USBHFile, wtext3, sizeof(wtext3), (void *)&byteswritten);
     res = f_write(&USBHFile, "\r\n", sizeof("\r\n")-1, &byteswritten);
     
     if((byteswritten == 0) || (res != FR_OK))
    {
       /* 错误处理 */
       Error_Handler();
    }
     else
    {
       /* 关闭文件 */
       f_close(&USBHFile);
       
       /* 打开文件读 */
       if(f_open(&USBHFile, "STM32.TXT", FA_READ) != FR_OK)
      {
         /* 错误处理 */
         Error_Handler();
      }
       else
      {
         /* 从文件读数据 */
         res = f_read(&USBHFile, rtext, sizeof(rtext), (void *)&bytesread);
         
         if((bytesread == 0) || (res != FR_OK))
        {
           /* 错误处理 */
           Error_Handler();
        }
         else
        {
           /* 关闭文件 */
           f_close(&USBHFile);
           
           /* 比较读和写的数据 */
           if((bytesread != byteswritten))
          {        
             /* 错误处理*/
             Error_Handler();
          }
           else
          {
             /* 无错误 */
             
          }
        }
      }
    }
  }
}
 
 FATFS_UnLinkDriver(USBHPath);
}

  我们先在U盘上创建的文件，名为“STM32.TXT”，在上述源码中，我们创建完文件后将其修改为打开与存在文件。创建的文件如下图所示：

图片

  向创建的STM32.TXT文件中写入“This is STM32 working with FatFs!”，我们查看文件内容，结果如下：

图片

  接着我们尝试向已经存在的文件中追加内容。依然是STM32.TXT文件，我们操作完毕，查看其内容图下：

图片

  至此，我们完成了FatFS文件系统的移植与测试，从测试结果看，移植是正确的，至少在简单应用下没有发现问题。

4、移植小结

  在这篇中，我们移植了FatFS文件系统，并进行了简单的读写测试。从测试的结果来看，FatFS的一直是没有问题的，至少验证了在一般的读写操作方面是没有问题的。

  在我们移植时，我们考虑到在同时有多种驱动器的情况下能够方便的操作。我们定义的磁盘IO操作函数是需要根据实际硬件实现的，然后在系统指定的回调函数中调用我们编写的磁盘IO函数。这样就可以实现多个驱动器的操作，事实上FatFS给出的磁盘IO示例中也是这样建议的。

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