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FatFS文件系统在MCU上的应用

FatFS文件系统是在单片机领域中非常著名的一个文件系统。由于其轻量级和高度兼容性,它备受MCU开发者的青睐。

在许多需要进行U盘文件读写、SD卡文件读写等操作的场景中,我们通常需要一个文件系统来支持我们的工作。特别是在一些MCU应用中,引入文件系统可以显著改善系统的用户交互性。

在本篇文章中,我们将讨论如何将FatFS文件系统移植到STM32F4上并进行应用。

1、准备工作

在开始移植FatFS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。在本例中,我们使用的是STM32F407VET6开发板作为操作平台。此外,我们还需要完成与USB硬件相关的库的移植工作。

其次,我们还需要获取FatFS的相关源代码。在这里,我们使用的是最新的R0.14b版本。你可以从该网站上下载该版本的源代码:

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:

image-20231022215544600
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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.txt readme文件
00history.txt 版本记录文件
ff.c FatFs模块
ffconf.h FatFs模块的配置文件
ff.h FatFs应用模块的头文件
diskio.h FatFs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.c Unicode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:

image-20231022215514104
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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:

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:

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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良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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