STM32之HAL开发——FatFs文件系统移植

FatFs文件系统移植

FatFs 程序结构图

移植 FatFs 之前我们先通过 FatFs 的程序结构图了解 FatFs 在程序中的关系网络
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  1. 用户应用程序需要由用户编写，想实现什么功能就编写什么的程序，一般我们只用到 f_mount()、f_open()、 f_write()、f_read() 就可以实现文件的读写操作。
  2. FatFs 组件是 FatFs 的主体，文件都在源码 src 文件夹中，其中 ff.c、 ff.h、 integer.h 以及 diskio.h 四个文件我们不需要改动，只需要修改 ffconf.h 和 diskio.c 两个文件。
  3. 底层设备输入输出要求实现存储设备的读写操作函数、存储设备信息获取函数等等。我们使用SPI Flash 芯片作为物理设备。

FatFs移植步骤一

1.将 FatFs 源码中的 src 文件夹整个文件夹拷贝一份至“SPI—FatFs 文件系统 USER”文件夹下并修改名为“FATFS
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2.将 FatFs 组件文件添加到工程中，需要添加有 ff.c、 diskio.c 和 cc936.c 三个文件

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  1. 添加 FATFS 文件夹到工程的 include 选项中。打开工程选项对话框，选择“C/C++”选项下的“Include Paths”项目，在弹出路径设置对话框中选择添加“FATFS”文件夹
    在这里插入图片描述

4.如果现在编译工程，可以发现有两个错误，一个是来自 diskio.c 文件，提示有一些头文件没找到，diskio.c 文件内容是与底层设备输入输出接口函数文件，不同硬件设计驱动就不同，需要的文件也不同；另外一个错误来自 cc936.c 文件，提示该文件不是工程所必需的，这是因为 FatFs 默认使用日语，我们想要支持简体中文需要修改 FatFs 的配置，即修改 ffconf.h

5.FatFs 文件系统与底层介质的驱动分离开来，对底层介质的操作都要交给用户去实现，它仅仅是提供了一个函数接口而已。 下表为 FatFs 移植时用户必须支持的函数。通过下表我们可以清晰知道很多函数是在一定条件下才需要添加的，只有前三个函数是必须添加的。我们完全可以根据实际需求选择实现用到的函数。
前三个函数是实现读文件最基本需求。接下来三个函数是实现创建文件、修改文件需要的。为实现格式化功能，需要在 disk_ioctl 添加两个获取物理设备信息选项。我们一般只要实现前面六个函数就可以了，已经足够满足大部分功能。
为支持简体中文长文件名称需要添加 ff_convert 和 ff_wtoupper 函数，实际这两个已经在 cc936.c文件中实现，我们只要直接把 cc936.c 文件添加到工程中就可以。
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底层设备驱动函数是存放在 diskio.c 文件，我们的目的就是把 diskio.c 中的函数接口与 SPI Flash芯片驱动连接起来。总共有五个函数，分别为设备状态获取 (disk_status)、设备初始化 (disk_initialize)、扇区读取(disk_read)、扇区写入 (disk_write)、其他控制 (disk_ioctl)。

FatFs移植步骤二

1.设备状态获取

/* 为每个设备定义一个物理编号 */
#define ATA			    0     // 预留SD卡使用
#define SPI_FLASH		1     // 外部SPI Flash

/*-----------------------------------------------------------------------*/
/* 获取设备状态                                                          */
/*-----------------------------------------------------------------------*/
DSTATUS disk_status (
	BYTE pdrv		/* 物理编号 */
)
{

	DSTATUS status = STA_NOINIT;
	
	switch (pdrv) {
		case ATA:	/* SD CARD */
			break;
    
		case SPI_FLASH:      
      /* SPI Flash状态检测：读取SPI Flash 设备ID */
      if(sFLASH_ID == SPI_FLASH_ReadID())
      {
        /* 设备ID读取结果正确 */
        status &= ~STA_NOINIT;
      }
      else
      {
        /* 设备ID读取结果错误 */
        status = STA_NOINIT;;
      }
			break;

		default:
			status = STA_NOINIT;
	}
	return status;
}

disk_status 函数只有一个参数 pdrv，表示物理编号。一般我们都是使用 switch 函数实现对 pdrv的分支判断。对于 SD 卡只是预留接口，留空即可。对于 SPI Flash 芯片，我们直接调用在SPI_FLASH_ReadID() 获取设备 ID，然后判断是否正确，如果正确，函数返回正常标准；如果错误，函数返回异常标志。 SPI_FLASH_ReadID() 是定义在 bsp_spi_flash.c 文件中，上一章节已做了分析。

2.设备初始化

/*-----------------------------------------------------------------------*/
/* 设备初始化                                                            */
/*-----------------------------------------------------------------------*/
DSTATUS disk_initialize (
	BYTE pdrv				/* 物理编号 */
)
{
  uint16_t i;
	DSTATUS status = STA_NOINIT;	
	switch (pdrv) {
		case ATA:	         /* SD CARD */
			break;
    
		case SPI_FLASH:    /* SPI Flash */ 
      /* 初始化SPI Flash */
			SPI_FLASH_Init();
      /* 延时一小段时间 */
      i=500;
	    while(--i);	
      /* 唤醒SPI Flash */
	    SPI_Flash_WAKEUP();
      /* 获取SPI Flash芯片状态 */
      status=disk_status(SPI_FLASH);
			break;
      
		default:
			status = STA_NOINIT;
	}
	return status;
}

disk_initialize 函数也是有一个参数 pdrv，用来指定设备物理编号。对于 SPI Flash 芯片我们调用 SPI_FLASH_Init() 函数实现对 SPI Flash 芯片引脚 GPIO 初始化配置以及 SPI 通信参数配置。SPI_Flash_WAKEUP() 函数唤醒 SPI Flash 芯片，当 SPI Flash 芯片处于睡眠模式时需要唤醒芯片才可以进行读写操作。

3.读取扇区

/*-----------------------------------------------------------------------*/
/* 读扇区：读取扇区内容到指定存储区                                              */
/*-----------------------------------------------------------------------*/
DRESULT disk_read (
	BYTE pdrv,		/* 设备物理编号(0..) */
	BYTE *buff,		/* 数据缓存区 */
	DWORD sector,	/* 扇区首地址 */
	UINT count		/* 扇区个数(1..128) */
)
{
	DRESULT status = RES_PARERR;
	switch (pdrv) {
		case ATA:	/* SD CARD */
			break;
    
		case SPI_FLASH:
      /* 扇区偏移2MB，外部Flash文件系统空间放在SPI Flash后面6MB空间 */
      sector+=512;      
      SPI_FLASH_BufferRead(buff, sector<<12, count<<12);
      status = RES_OK;
		
		  /* 不想偏移 */
//      SPI_FLASH_BufferRead((BYTE *)buff, sector<<12, count<<12);
      status = RES_OK;
		
		break;
    
		default:
			status = RES_PARERR;
	}
	return status;
}
  • disk_read 函数有四个形参。 pdrv 为设备物理编号。 buff 是一个 BYTE 类型指针变量， buff指向用来存放读取到数据的存储区首地址。 sector 是一个 DWORD 类型变量，指定要读取数据的扇区首地址。 count 是一个UINT 类型变量，指定扇区数量。
  • BYTE 类型实际是 unsigned char 类型， DWORD 类型实际是 unsigned long 类型， UINT 类型实际是unsigned int 类型，类型定义在 integer.h 文件中。
  • 开发板使用的 SPI Flash 芯片型号为 W25Q64FV，每个扇区大小为 4096 个字节 (4KB)，总共有 8M字节空间，为兼容后面实验程序，我们只将后部分 6MB 空间分配给 FatFs 使用，前部分 2MB 空 间用于其他实验需要，即 FatFs是从 2MB 空间开始，为实现这个效果需要将所有的读写地址都 偏移 512 个扇区空间。
  • 对于 SPI Flash 芯片，主要是使用 SPI_FLASH_BufferRead() 实现在指定地址读取指定长度的数据，它接收三个参数，第一个参数为指定数据存放地址指针。第二个参数为指定数据读取地址，这里使用左移运算符，左移 12 位实际是乘以 4096，这与每个扇区大小是息息相关的。第三个参数为读取数据个数，也是需要使用左移运算符。

4.扇区写入

DRESULT disk_write (
	BYTE pdrv,			  /* 设备物理编号(0..) */
	const BYTE *buff,	/* 欲写入数据的缓存区 */
	DWORD sector,		  /* 扇区首地址 */
	UINT count			  /* 扇区个数(1..128) */
)
{
  uint32_t write_addr; 
	DRESULT status = RES_PARERR;
	if (!count) {
		return RES_PARERR;		/* Check parameter */
	}

	switch (pdrv) {
		case ATA:	/* SD CARD */      
		break;

		case SPI_FLASH:
      /* 扇区偏移2MB，外部Flash文件系统空间放在SPI Flash后面6MB空间 */
			sector+=512;
      write_addr = sector<<12;    
      SPI_FLASH_SectorErase(write_addr);
      SPI_FLASH_BufferWrite((uint8_t *)buff,write_addr,count<<12);
      status = RES_OK;
		
      /* 不想偏移 */
//      SPI_FLASH_SectorErase(sector<<12);
//      SPI_FLASH_BufferWrite((BYTE *)buff, sector<<12, count<<12);
//      status = RES_OK;		
		
		break;
    
		default:
			status = RES_PARERR;
	}
	return status;
}

disk_write 函数有四个形参， pdrv 为设备物理编号。 buff 指向待写入扇区数据的首地址。 sector，指定要写入数据的扇区首地址。 count 指定扇区数量。对于 SPI Flash 芯片，在写入数据之前需要先擦除，所以用到扇区擦除函数 (SPI_FLASH_SectorErase)。然后就是在调用数据写入函数(SPI_FLASH_BufferWrite) 把数据写入到指定位置内

5.其他配置

DRESULT disk_ioctl (
	BYTE pdrv,		/* 物理编号 */
	BYTE cmd,		  /* 控制指令 */
	void *buff		/* 写入或者读取数据地址指针 */
)
{
	DRESULT status = RES_PARERR;
	switch (pdrv) {
		case ATA:	/* SD CARD */
			break;
    
		case SPI_FLASH:
			switch (cmd) {
				 /* 扇区数量：2048*4096/1024/1024=8(MB) */
        /* 扇区数量：1536*4096/1024/1024=6(MB) */
        case GET_SECTOR_COUNT:
          *(DWORD * )buff = 1536;		
        break;
        /* 扇区大小  */
        case GET_SECTOR_SIZE :
          *(WORD * )buff = 4096;
        break;
        /* 同时擦除扇区个数 */
        case GET_BLOCK_SIZE :
          *(DWORD * )buff = 1;
        break;        
      }
      status = RES_OK;
		break;
    
		default:
			status = RES_PARERR;
	}
	return status;
}
  • disk_ioctl 函数有三个形参， pdrv 为设备物理编号， cmd 为控制指令，包括发出同步信号、获取扇区数目、获取扇区大小、获取擦除块数量等等指令， buff 为指令对应的数据指针。
  • 对于 SPI Flash 芯片，为支持 FatFs 格式化功能，需要用到获取扇区数量 (GET_SECTOR_COUNT)指令和获取擦除块数量(GET_BLOCK_SIZE)。另外， SD 卡扇区大小为 512 字节， SPI Flash 芯片一般设置扇区大小为 4096 字节，所以需要用到获取扇区大小 (GET_SECTOR_SIZE) 指令。

FatFs移植步骤三

ffconf.h 文件是 FatFs 功能配置文件，我们可以对文件内容进行修改，使得 FatFs 更符合我们的要求。 ffconf.h 对每个配置选项都做了详细的使用情况说明。下面只列出修改的配置，其他配置采用默认即可。

#define _USE_MKFS 1
#define _CODE_PAGE 936
#define _USE_LFN 2
#define _VOLUMES 2
#define _MIN_SS 512
#define _MAX_SS 4096
  1. _USE_MKFS：格式化功能选择，为使用 FatFs 格式化功能，需要把它设置为 1。
  2. _CODE_PAGE：语言功能选择，并要求把相关语言文件添加到工程宏。为支持简体中文文件名需要使用“936”，正如在图 25‑7 的操作，我们已经把 cc936.c 文件添加到工程中。
  3. _USE_LFN：长文件名支持，默认不支持长文件名，这里配置为 2，支持长文件名，并指定使用栈空间为缓冲区。
  4. _VOLUMES：指定物理设备数量，这里设置为 2，包括预留 SD 卡和 SPI Flash 芯片。
  5. _MIN_SS 、 _MAX_SS：指定扇区大小的最小值和最大值。 SD 卡扇区大小一般都为 512 字节， SPI Flash 芯片扇区大小一般设置为 4096 字节，所以需要把 _MAX_SS 改为 4096。

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