第四十四章 FATFS实验
[mw_shl_code=c,true]1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0 [/mw_shl_code]
上一章，我们学习了SD卡的使用，不过仅仅是简单的实现读扇区而已，真正要好好应用SD卡，必须使用文件系统管理，本章，我们将使用FATFS来管理SD卡，实现SD卡文件的读写等基本功能。本章分为如下几个部分：
44.1 FATFS简介
44.2 硬件设计
44.3 软件设计
44.4 下载验证
44.1 FATFS简介
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。它完全用标准C 语言编写，所以具有良好的硬件平**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：
l Windows兼容的FAT文件系统（支持FAT12/FAT16/FAT32）
l 与平台无关，移植简单
l 代码量少、效率高
l 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
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44.1.1所示：
图44.1.1 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（disk I/O）和供给文件创建修改时间的实时时钟。
FATFS的源码，大家可以在：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html 这个网站下载到，目前最新版本为R0.10b。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。
其中，与平台无关的是：
ffconf.h FATFS模块配置文件
ff.h FATFS和应用模块公用的包含文件
ff.c FATFS模块
diskio.h FATFS和disk I/O模块公用的包含文件
interger.h 数据类型定义
option 可选的外部功能（比如支持中文等）
与平台相关的代码（需要用户提供）是：
diskio.c FATFS和disk I/O模块接口层文件
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）_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。
2）_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）_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）_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。
5）_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）_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）_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）。
8）_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）_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）_MAX_SS。扇区缓冲的最大值，一般设置为512。
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，一般需要编写6 个接口函数，如
图44.1.2 所示：
图44.1.2 diskio 需要实现的函数
通过以上三步，我们即可完成对FATFS的移植。
第一步，我们使用的是MDK5.11a编译器，器数据类型和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，我们在前面已经有介绍（之前介绍的10个配置），我们将对应配置修改为我们介绍时候的值即可，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6个，在diskio.c里面。
首先是disk_initialize函数，该函数介绍如图44.1.3所示：
图44.1.3 disk_initialize函数介绍
第二个函数是disk_status函数，该函数介绍如图44.1.4所示：
图44.1.4 disk_status函数介绍
第三个函数是disk_read函数，该函数介绍如图44.1.5所示：
图44.1.5 disk_read函数介绍
第四个函数是disk_write函数，该函数介绍如图44.1.6所示：
图44.1.6 disk_write函数介绍
第五个函数是disk_ioctl函数，该函数介绍如图44.1.7所示：
图44.1.7 disk_ioctl函数介绍
最后一个函数是get_fattime函数，该函数介绍如图44.1.8所示：
图44.1.8 get_fattime函数介绍
以上六个函数，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。
44.2 硬件设计
本章实验功能简介：开机的时候先初始化SD卡，初始化成功之后，注册两个工作区（一个给SD卡用，一个给SPI FLASH用），然后获取SD卡的容量和剩余空间，并显示在LCD模块上，最后等待USMART输入指令进行各项测试。本实验通过DS0指示程序运行状态。
本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯DS0
2） 串口
3） TFTLCD模块
4） SD卡
5） SPI FLASH
这些，我们在之前都已经介绍过，如有不清楚，请参考之前内容。
打开本章实验目录可以看到，我们在工程目录下新建了一个FATFS的文件夹，然后将FATFS R0.10b程序包解压到该文件夹下。同时，我们在FATFS文件夹里面新建了一个exfuns的文件夹，用于存放我们针对FATFS做的一些扩展代码。设计完如图44.3.1所示：
图44.3.1 FATFS文件夹子目录
然后打开我们实验工程可以看到，我们新建了FATFS分组，将必要的源文件添加到了FATFS分组之下。打开diskio.c，代码如下：
#define SD_CARD 0 //SD卡,卷标为0
#define EX_FLASH 1 //外部flash,卷标为1
#define FLASH_SECTOR_SIZE 512
//对于W25Q128
//前12M字节给fatfs用,12M字节后,用于存放字库,字库占用3.09M. 剩余部分,
//给客户自己用
u16 FLASH_SECTOR_COUNT=2048*12; //W25Q1218,前12M字节给FATFS占用
#define FLASH_BLOCK_SIZE 8 //每个BLOCK有8个扇区
//初始化磁盘
DSTATUS disk_initialize (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber (0..) */
)
{
u8 res=0;
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
res=SD_Init();//SD卡初始化
break;
case EX_FLASH://外部flash
W25QXX_Init();
FLASH_SECTOR_COUNT=2048*12;//W25Q1218,前12M字节给FATFS占用
break;
default:
res=1;
}
if(res)return STA_NOINIT;
else return 0; //初始化成功
}
//获得磁盘状态
DSTATUS disk_status (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber (0..) */
)
{
return 0;
}
//读扇区
//drv:磁盘编号0~9
//*buff:数据接收缓冲首地址
//sector:扇区地址
//count:需要读取的扇区数
DRESULT disk_read (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
BYTE *buff, /* Data buffer to store read data */
DWORD sector, /* Sector address (LBA) */
UINT count /* Number of sectors to read (1..128) */
)
{
u8 res=0;
if (!count)return RES_PARERR;//count不能等于0，否则返回参数错误
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
res=SD_ReadDisk(buff,sector,count);
break;
case EX_FLASH://外部flash
for(;count>0;count--)
{
W25QXX_Read(buff,sector*FLASH_SECTOR_SIZE,FLASH_SECTOR_SI
ZE);
sector++;
buff+=FLASH_SECTOR_SIZE;
}
res=0;
break;
default:
res=1;
}
//处理返回值，将SPI_SD_driver.c的返回值转成ff.c的返回值
if(res==0x00)return RES_OK;
else return RES_ERROR;
}
//写扇区
//drv:磁盘编号0~9
//*buff:发送数据首地址
//sector:扇区地址
//count:需要写入的扇区数
#if _USE_WRITE
DRESULT disk_write (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
const BYTE *buff, /* Data to be written */
DWORD sector, /* Sector address (LBA) */
UINT count /* Number of sectors to write (1..128) */
)
{
u8 res=0;
if (!count)return RES_PARERR;//count不能等于0，否则返回参数错误
switch(pdrv)
{
case SD_CARD://SD卡
res=SD_WriteDisk((u8*)buff,sector,count);
break;
case EX_FLASH://外部flash
for(;count>0;count--)
{
W25QXX_Write((u8*)buff,sector*FLASH_SECTOR_SIZE,FLASH_SECT
OR_SIZE);
sector++;
buff+=FLASH_SECTOR_SIZE;
}
res=0;
break;
default:
res=1;
}
//处理返回值，将SPI_SD_driver.c的返回值转成ff.c的返回值
if(res == 0x00)return RES_OK;
else return RES_ERROR;
}
#endif
//其他表参数的获得
//drv:磁盘编号0~9
//ctrl:控制代码
//*buff:发送/接收缓冲区指针
#if _USE_IOCTL
DRESULT disk_ioctl (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
BYTE cmd, /* Control code */
void *buff /* Buffer to send/receive control data */
)
{
DRESULT res;
if(pdrv==SD_CARD)//SD卡
{
switch(cmd)
{
case CTRL_SYNC:
res = RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_SIZE:
*(DWORD*)buff = 512;
res = RES_OK;
break;
case GET_BLOCK_SIZE:
*(WORD*)buff = SDCardInfo.CardBlockSize;
res = RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_COUNT:
*(DWORD*)buff = SDCardInfo.CardCapacity/512;
res = RES_OK;
break;
default:
res = RES_PARERR;
break;
}
}else if(pdrv==EX_FLASH) //外部FLASH
{
switch(cmd)
{
case CTRL_SYNC:
res = RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_SIZE:
*(WORD*)buff = FLASH_SECTOR_SIZE;
res = RES_OK;
break;
case GET_BLOCK_SIZE:
*(WORD*)buff = FLASH_BLOCK_SIZE;
res = RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_COUNT:
*(DWORD*)buff = FLASH_SECTOR_COUNT;
res = RES_OK;
break;
default:
res = RES_PARERR;
break;
}
}else res=RES_ERROR;//其他的不支持
return res;
}
#endif
//获得时间
//User defined function to give a current time to fatfs module */
//31-25: Year(0-127 org.1980), 24-21: Month(1-12), 20-16: Day(1-31) */
//15-11: Hour(0-23), 10-5: Minute(0-59), 4-0: Second(0-29 *2) */
DWORD get_fattime (void)
{
return 0;
}
//动态分配内存
void *ff_memalloc (UINT size)
{
return (void*)mymalloc(SRAMIN,size);
}
//释放内存
void ff_memfree (void* mf)
{
myfree(SRAMIN,mf);
}
该函数实现了我们44.1节提到的6个函数，同时因为在ffconf.h里面设置对长文件名的支持为方法3，所以必须实现ff_memalloc和ff_memfree这两个函数。本章，我们用FATFS管理了2个磁盘：SD卡和SPI FLASH。SD卡比较好说，但是SPI FLASH，因为其扇区是4K字节大小，我们为了方便设计，强制将其扇区定义为512字节，这样带来的好处就是设计使用相对简单，坏处就是擦除次数大增，所以不要随便往SPI FLASH里面写数据，非必要最好别写，如果频繁写的话，很容易将SPI FLASH写坏。
打开ffconf.h可以看到，我们根据前面讲解修改了相关配置，此部分就不贴代码了，请大家参考本例程源码。另外，cc936.c主要提供UNICODE到GBK以及GBK到UNICODE的码表转换，里面就是两个大数组，并提供一个ff_convert的转换函数，供UNICODE和GBK码互换，这个在中文长文件名支持的时候，必须用到！
前面提到，我们在FATFS文件夹下还新建了一个exfuns的文件夹，该文件夹用于保存一些FATFS一些针对FATFS的扩展代码，本章，我们编写了4个文件，分别是：exfuns.c、exfuns.h、fattester.c和fattester.h。其中exfuns.c主要定义了一些全局变量，方便FATFS的使用，同时实现了磁盘容量获取等函数。而fattester.c文件则主要是为了测试FATFS用，因为FATFS的很多函数无法直接通过USMART调用，所以我们在fattester.c里面对这些函数进行了一次再封装，使得可以通过USMART调用。这几个文件的代码，我们就不贴出来了，请大家参考本例程源码，
最后，我们打开main.c， main函数如下：
int main(void)
{
u32 total,free;
u8 t=0; u8 res=0;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为115200
LED_Init(); //初始化LED
usmart_dev.init(84); //初始化USMART
LCD_Init(); //LCD初始化
KEY_Init(); //按键初始化
W25QXX_Init(); //初始化W25Q128
my_mem_init(SRAMIN); //初始化内部内存池
my_mem_init(SRAMCCM); //初始化CCM内存池
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"FATFS TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/5/15");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"Use USMART for test");
while(SD_Init())//检测不到SD卡
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"SD Card Error!"); delay_ms(500);
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check! "); delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0闪烁
}
exfuns_init(); //为fatfs相关变量申请内存
f_mount(fs[0],"0:",1); //挂载SD卡
res=f_mount(fs[1],"1:",1); //挂载FLASH.
if(res==0X0D)//FLASH磁盘,FAT文件系统错误,重新格式化FLASH
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Flash Disk Formatting..."); //格式化FLASH
res=f_mkfs("1:",1,4096);//格式化FLASH,1,盘符;1,不需要引导区,8个扇区为1个簇
if(res==0)
{
f_setlabel((const TCHAR *)"1:ALIENTEK");//设置磁盘的名字为：ALIENTEK
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Flash Disk Format Finish");//格式化完成
}else LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Flash Disk Format Error ");//格式化失败
delay_ms(1000);
}
LCD_Fill(30,150,240,150+16,WHITE); //清除显示
while(exf_getfree("0",&total,&free)) //得到SD卡的总容量和剩余容量
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"SD Card Fatfs Error!"); delay_ms(200);
LCD_Fill(30,150,240,150+16,WHITE); delay_ms(200); //清除显示
LED0=!LED0;//DS0闪烁
}
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"FATFS OK!");
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"SD Total Size: MB");
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"SD Free Size: MB");
LCD_ShowNum(30+8*14,170,total>>10,5,16); //显示SD卡总容量 MB
LCD_ShowNum(30+8*14,190,free>>10,5,16); //显示SD卡剩余容量 MB
while(1)
{
t++;
delay_ms(200);
LED0=!LED0;
}
}
在main函数里面，我们为SD卡和FLASH都注册了工作区（挂载），在初始化SD卡并显示其容量信息后，进入死循环，等待USMART测试。
最后，我们在usmart_config.c里面的usmart_nametab数组添加如下内容：
(void*)mf_mount,"u8 mf_mount(u8* path,u8 mt)",
(void*)mf_open,"u8 mf_open(u8*path,u8 mode)",
(void*)mf_close,"u8 mf_close(void)",
(void*)mf_read,"u8 mf_read(u16 len)",
(void*)mf_write,"u8 mf_write(u8*dat,u16 len)",
(void*)mf_opendir,"u8 mf_opendir(u8* path)",
(void*)mf_closedir,"u8 mf_closedir(void)",
(void*)mf_readdir,"u8 mf_readdir(void)",
(void*)mf_scan_files,"u8 mf_scan_files(u8 * path)",
(void*)mf_showfree,"u32 mf_showfree(u8 *drv)",
(void*)mf_lseek,"u8 mf_lseek(u32 offset)",
(void*)mf_tell,"u32 mf_tell(void)",
(void*)mf_size,"u32 mf_size(void)",
(void*)mf_mkdir,"u8 mf_mkdir(u8*pname)",
(void*)mf_fmkfs,"u8 mf_fmkfs(u8* path,u8 mode,u16 au)",
(void*)mf_unlink,"u8 mf_unlink(u8 *pname)",
(void*)mf_rename,"u8 mf_rename(u8 *oldname,u8* newname)",
(void*)mf_getlabel,"void mf_getlabel(u8 *path)",
(void*)mf_setlabel,"void mf_setlabel(u8 *path)",
(void*)mf_gets,"void mf_gets(u16 size)",
(void*)mf_putc,"u8 mf_putc(u8 c)",
(void*)mf_puts,"u8 mf_puts(u8*c)",
这些函数均是在fattester.c里面实现，通过调用这些函数，即可实现对FATFS对应API函数的测试。 至此，软件设计部分就结束了。
44.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示如图44.4.1所示的内容（假定SD卡已经插上了）：
图44.4.1 程序运行效果图
打开串口调试助手，我们就可以串口调用前面添加的各种FATFS测试函数了，比如我们输入mf_scan_files("0:")，即可扫描SD卡根目录的所有文件，如图44.4.2所示：
图44.4.2 扫描SD卡根目录所有文件
其他函数的测试，用类似的办法即可实现。注意这里0代表SD卡，1代表SPI FLASH。另外，提醒大家，mf_unlink函数，在删除文件夹的时候，必须保证文件夹是空的，才可以正常删除，否则不能删除。
实验详细手册和源码下载地址：http://www.openedv.com/posts/list/41586.htm
正点原子探索者STM32F407开发板购买地址：http://item.taobao.com/item.htm?id=41855882779
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