一种易于移植和使用的文件系统FatFs Moule

随着信息技术的发展，当今社会的信息量越来越大，以往由单片机构成的系统简单地对存储媒介按地址、按字节的读／写已经不满足人们实际应用的需要，于是利用 文件系统对存储媒介进行管理成了今后单片机系统的一个发展方向。目前常用的文件系统主要有微软的FATl2、FATl6、FAT32、NTFS，以及 Linux系统下的EXT2、EXT3等。由于微软Windows的广泛应用，在当前的消费类电子产品中，用得最多的还是FAT文件系统，如U盘、 MP3、MP4、数码相机等，所以找到一款容易移植和使用、占用硬件资源相对较小而功能又强大的FAT开源文件系统，对于单片机系统设计者来说是很重要 的。

　　FatFs Module是一种完全免费开源的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 Module有个简化版本Tiny—FatFs，它跟完全版FatFs的不同之处主要有两点：

　　①占用内存更少，只要1 KB RAM；

　　②1次仅支持1个存储介。

　　FatFs和Tiny—FatFs的用法一样，仅仅是包含不同的头文件即可,非常方便,本文主要介绍Tiny-FatFs.

　　1 Tiny-FatFs

　　1.1 移植前的准备

　　FatFs Module一开始就是为了能在不同的单片机上使用而设计的,所以具有良好的层次结构,如图1所示。最顶层是应用层,使用者无需理会FatFs Module的内部结构和复杂的FAT协议,只需要调用FatFs Module提供给用户的一系列应用接口函数,如f_open,f_read,f_write、f_close等，就可以像在PC上读／写文件那样简单。

　　中间层FatFs Module实现了FAT文件读／写协议。FatFs Module的完全版提供的是ff．c、ff．h，简化版Tiny—FatFs提供的是tff．c、tff．h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用时将需要版本的头文件直接包含进去即可。

　　需要使用者编写移植代码的是FatFs Module提供的底层接口，它包括存储媒介读／写接口DiskIO和供给文件创建修改时间的实时时钟。

　　本移植硬件平台使用型号为ATmegal28的AVR单片机和SD卡。ATmegal28是一种8位RISC单片机，具有多达4 KB的RAM、128 KB的内部Flash和丰富的外设。软件平台是WINAVR，具有代码优化能力强和完全免费的优点。

　　1．2 移植步骤

　　1．2．1 编写SPI和SD卡接口代码

　　本文使用SD卡的SPI通信模式。SD卡的DI接MOSI，DO接MISO，CS接SS。这就需要ATmegal28提供SPI读／写接口代 码，主要包括初始化、读和写。SPI初始化包括SPI相关寄存器的初始化和相关I／O口的初始化。将ATmega 128的SPI配置成主机模式、数据高位先传、时钟速率为二分之一系统时钟等。代码如下：

　　接着配置I／O口的输入／输出。MOSI脚和Ss脚配置成输出，MISO脚配置成输入。然后，就可以进行读／写了。

　　读1个字节的SPI接口代码：

　　在具备SPI读／写接口的基础上编写SD卡接口代码，需要编写3个基本接口函数：

　　①向SD卡发送1条命令：

　　Static BYTE send-cmd(BYTE cmd，DWORD arg)；

　　②向SD卡发送1个数据包：

　　Static BOOL xmit—datablock(const BYTE *buff，BYTE token)；

　　③从SD卡接收1个数据包：

　　static BCK]L rcvr-datablock(BYTE*buff，UINT btr)；

　　1．2．2 编写DiskIO

　　编写好存储媒介的接口代码后，就可以编写DiskIO了，DiskIO结构如图2所示。

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　　Tiny—FatFs的移植实际上需要编写6个接口函数，分别是：

　　①DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)；

　　存储媒介初始化函数。由于存储媒介是SD卡，所以实际上是对SD卡的初始化。drv是存储媒介号码，由于Tinv—FatFs只支持一个存储媒介，所以drv应恒为O。执行无误返回0，错误返回非O。

　　②DSTATUS disk_status(BYTE drV)；

　　状态检测函数。检测是否支持当前的存储媒介，对Tinv—FatFs来说，只要drv为0，就认为支持，然后返回O。

　　③DRESULT disk_read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE．count)；

　　读扇区函数。在SD卡读接口函数的基础上编写，*buff存储已经读取的数据，sector是开始读的起始扇区，count是需要读的扇区数。1个扇区512个字节。执行无误返回O，错误返回非0。

　　④DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count)；

　　写扇区函数。在SD卡写接口函数的基础上编写，*buff存储要写入的数据，sector是开始写的起始扇区count是需要写的扇区数。1个扇区512个字节。执行无误返回O，错误返回非0。

　　⑤DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)；

　　存储媒介控制函数。ctrl是控制代码，*buff存储或接收控制数据。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，返回O即可。

　　⑥DWORD get_fattime(Void)；

　　实时时钟函数。返回一个32位无符号整数，时钟信息包含在这32位中，如下所示：

　　如果用不到实时时钟，也可以简单地返回一个数。正确编写完DiskIO，移植工作也就基本完成了，接下来的工作就是对Tiny—FatFs进行配置。

2 Tiny—FatFs的配置

　　Tiny—FatFs是一款可配置可裁减的文件系统，使用者可以选择自己需要的功能。Tiny—FatFs总共有5个文件，分别是tff．c、 tff．h、diskio．c、diskio．h和integer．h。tff_c和integer．h一般不用改动，前面的移植工作主要更改的是 diskio．c，而配置Tiny—FatFs则主要修改tff．h和diskio．h。

　　在diskio．h中，使用者可以根据需要使能disk—write或disk_ioetl。以下代码使能disk_write和disk_ioctl：

　　#define—R'EADONLY 0

　　#define—USE_IOCTL 1

　　在tff．h中，使用者可以根据需要对整个文件系统进行全面的配置：

　　① #define_MCU_ENDIAN。有1和2两个值可设，默认情况下设1，以获得较好的系统性能。如果单片机是大端模式或者设为1时系统运行不正常，则必须设为2。

　　② #define_FS_READONLY。设为1时将使能只读操作，程序编译时将文件系统中涉及写的操作全部去掉，以节省空间。

　　③ #define_FS_MINIMIZE。有0、1、2、3四个选项可设。设0表示可以使用全部Tiny-FatFs提供的用户函数；设1将禁用 f_stat、f_getfree、f_unlink、f_mkdir、f_chmod和f_rename；设2将在1的基础上禁用f_opendir和 f_readdir；设3将在1和2的基础上再禁用f_lseek。使用者可以根据需要进行裁减，以节省空间。

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　　3 TINY-FatFs 的读/写测试

　　Tiny-FatFs的功能很强大，提供了丰富而易于使用的用户接口函数，如图3所示。

　　Tiny—FatFs的功能很全，本文仅测试f_mount、f_open、f_read、f_write和f_close五个函数来读一个3.4 MB的文件和写一个1MB的文件，文件名分别为testl．dat和test2．dat。主要代码如下：

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　　经过实际测试，在单片机系统时钟为11．059 2 MHz下读一个3．4 MB文件耗时约20 s，平均约170 KB／s；写一个1 MB文件耗时约6s，平均约166 KB／s，在资源有限的单片机系统下这个读／写速度是相当令人满意的。综上所述，FatFs Module具有容易移植、功能强大和易于使用的优点，适用于小型嵌入式系统；又是完全的免费和开源，也可以用于教育科研及其商业用途