FatFs文件系统

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  大部分知识点来源于正点原子的ppt资料，我只是将其汇总并加一些个人理解。

一、文件系统

1.1 文件系统是什么？

  负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。
即在磁盘上组织文件的方法。

1.2 常用的文件系统有哪些？

  • FAT / FATFS
  • NTFS: 基于安全性的文件系统，是Windows NT所采用的独特的文件系统结构
  • CDFS：CDFS是大部分的光盘的文件系统
  • exFAT

1.3 FATFS文件系统的特点

  FATFS是一个完全免费开源的FAT 文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。完全用标准C 语言编写，所以具有良好的硬件平台独立性。可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM 等系列单片机上而只需做简单的修改。它支持FAT12、FAT16 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。

Ps： FATFS是可裁剪的文件系统(专门为小型嵌入式设计)。

  • Windows兼容的FAT文件系统（支持FAT12/FAT16/FAT32）
  • 与平台无关，移植简单。全C语言编写。
  • 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

二、FATFS系统结构

2.1 FATFS模块的层次结构图

  • 底层接口，包括存储媒介读／写接口（disk I/O）和供给文件创建修改时间的实时时钟，需要我们根据平台和存储介质编写移植代码。
  • 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。
  • 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。

2.2 FATFS文件系统包结构

文件名 功能 说明
ffconf.h FATFS模块配置文件 需要根据需求来配置参数。
ff.h 文件系统实现头文件，定义有文件系统所需的数据结构 不需要修改
ff.c 文件系统实现源码 不需要修改
diskio.h 底层驱动头文件，就一些状态宏的定义和底层驱动函数的申明 不需要修改
diskio.c 储存介质底层驱动文件 与平台相关的代码,需要用户根据存储介质来编写函数。
interger.h 仅实现数据类型重定义,增加系统的可移植性 与编译器有关。
option文件夹 可选的外部功能（比如支持中文等） 汉字实验把字库放到SPI FLASH需要修改

  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。diskio.c是硬件层，负责与底层硬件接口适配。

  • diskio.c和diskio.h是硬件层。
  • ff.c和ff.h是FatFs的文件系统层和文件系统的API层。

Ps： 大部分的可移植的小系统或者应用，都是采用类似这种将与底层打交道的源码开发给用户编写，然后提供顶层配置文件供配置。

2.3 FATFS关键配置文件: ffconf.h

  • _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Tiny FATFS），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。
  • _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。
  • _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。
  • _USE_MKFS。这个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。
  • _USE_FASTSEEK。这个用来使能快速定位，我们设置为1，使能快速定位。
  • _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来读取和设置磁盘的名字了。
  • _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，需要c936.c文件支持，该文件在option文件夹）。
  • _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。
  • _VOLUMES。用于设置FATFS支持的逻辑设备数目，我们设置为3的话，即支持3个设备（磁盘）。
  • _MAX_SS。扇区缓冲的最大值，一般设置为512。

2.4 FatFs提供的函数API

函数API 实现功能
f_mount 注册/注销一个工作区域（Work Area）
f_open 打开/创建一个文件
f_close 关闭一个文件
f_read 读文件
f_write 写文件
f_lseek 移动文件读/写指针
f_truncate 截断文件
f_sync 冲洗缓冲数据 Flush Cached Data
f_forward 直接转移文件数据到一个数据流
f_stat 获取文件状态
f_opendir 打开一个目录
f_closedir 关闭一个已经打开的目录
f_readdir 读取目录条目
f_mkdir 创建一个目录
f_unlink 删除一个文件或目录
f_chmod 改变属性（Attribute）
f_utime 改变时间戳（Timestamp）
f_rename 重命名/移动一个文件或文件夹
f_chdir 改变当前目录
f_chdrive 改变当前驱动器
f_getcwd 获取当前工作目录
f_getfree 获取空闲簇 Get Free Clusters
f_getlabel Get volume label
f_setlabel Set volume label
f_mkfs 在驱动器上创建一个文件系统
f_fdisk Divide a physical drive
f_gets 读一个字符串
f_putc 写一个字符
f_puts 写一个字符串
f_printf 写一个格式化的字符串
f_tell 获取当前读/写指针
f_eof 测试文件结束
f_size 获取文件大小
f_error 测试文件上的错误

2.5 底层磁盘I/O模块

  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。

函数名 函数功能
disk_initialize Initialize disk drive 初始化磁盘驱动器
disk_status Get disk status 获取磁盘状态
disk_read Read sector(s) 读扇区
disk_write Write sector(s) 写扇区
disk_ioctl Control device dependent features 设备相关的控制特性
get_fattime Get current time 获取当前时间

  若想看具体详细参数，如下所示：

三、FATFS系统移植

3.1 FatFs移植步骤思路

  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，一般需要编写6 个接口函数：即上面底层磁盘I/O模块

3.2 实例

  基于Stm32F407的SD卡升级
  基于Stm32F407的U盘Host，USB_FS升级
  基于Stm32F407的U盘Host，USB_HS复用为USB_FS升级

  常见：如果你使用了FatFs文件系统做嵌入式Bootloader的U盘升级APP，如果插入的U盘是NTFS文件系统，则会导致无法识别文件进行升级！

3.3 U盘驱动的知识

3.3.1 USB中cdc、dfu、hid、msc的区别

  • cdc : communication device class
    • CDC是通信设备级方案，是USB 转其他的接口的一类设备，比如USB转RS232，USB转Ethernet等
  • dfu : Device Firmware Upgrade
    • DFU主要使用USB接口，实现固件的上传与下载
  • hid : humman interface device
    • HID人机接口级方案，多为不需要驱动的键盘鼠标等
  • msc: mass storage class
    • MSC大容量存储方案，多为移动存储设备

3.3.2 STM32 HS端口改为FS步骤

stm32 HS端口改为FS步骤：

  1. 在usb_conf.h文件中

    • 使能#define USE_USB_OTG_HS 宏
    • 使能#define USE_EMBEDDED_PHY 宏
    • 禁止#define USE_ULPI_PHY 宏
    • 禁止#define VBUS_SENSING_ENABLED 宏

  2. 在usbd_user.c文件中，将原来的中断函数由

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    void OTG_FS_IRQHandler(void)
    {
        USBD_OTG_ISR_Handler(&USB_OTG_dev);
    }

    //改为下面的

    void OTG_HS_IRQHandler(void)
    {
        USBD_OTG_ISR_Handler(&USB_OTG_dev);
    }

  3. 在usb_bsp.c中GPIO初始化其中语句

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    //先将管脚基本配置弄好，例如原本USB_FS的PA11和PA12，现改成USB_HS的PB14和PB15
    //再执行下面的操作

    RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_OTG_FS, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_OTG_FS);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_OTG_FS);

    //改为下面的
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_OTG_HS, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockLPModeCmd(RCC_AHB1Periph_OTG_HS_ULPI, DISABLE);/* USB OTG HS ULPI clock Disabled */

    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource14, GPIO_AF_OTG_HS_FS);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_OTG_HS_FS);

  4. 在usb_bsp.c中使能中断USB_OTG_BSP_EnableInterrupt函数

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    void USB_OTG_BSP_EnableInterrupt(USB_OTG_CORE_HANDLE * pdev)
    {
        NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = OTG_HS_IRQn; //OTG_FS_IRQn;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
        NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    }

  5. 在调用USB初始化时，记得切换为HS的ID

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    //初始化USB主机
    USBH_Init(&USB_OTG_Core,USB_OTG_HS_CORE_ID,&USB_Host,&USBH_MSC_cb,&USR_Callbacks);

如此就可以正常将USB HS修改为FS使用了。

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