2019年09月28日 | 再造STM32---第二十一部分：串行FLASH文件系统 FatFs

21.1 文件系统简介：

使用SPI FLASH直接存储数据：

      当需要记录字符“STM32-F429 SPI FLASH” 时。 可以把这些文字转化成ASCII码，存储在数组中，然后调用SPI_FLASH_BufferWrite函数，把数组内容写入到SPI Flash芯片的指定地址上，在需要的时候从该地址把数据读取出来，再对读出来的数据以ASCII码的格式进行解读。

• 难以记录有效数据的位置

• 难以确定存储介质的剩余空间

• 不明确应以何种格式来解读数据

Windows上的文件系统：

文件系统，就是对数据进行管理的方式。使用文件系统可有效地管理存储介质。

文件系统在计算机中的表现形式：

磁盘的物理结构：

       使用文件系统时， 它为了存储和管理数据，在存储介质建立了一些组织结构，这些结构包括操作系统引导区、目录和文件。

常见的windows下的文件系统格式包括FAT32、 NTFS、 exFAT。

       在使用文件系统前，要先对存储介质进行格式化。 格式化时会在存储介质上新建一个文件分配表和目录。这样，文件系统就可以记录数据存放的物理地址，剩余空间。

磁盘分区表：

       Windows操作系统为了便于用户对磁盘的管理。加入了磁盘分区的概念，即将一块磁盘逻辑划分为几块，它会把磁盘的分区信息记录到硬盘分区表中。

       在硬盘分区表中，描述了各个逻辑分区的属性，如分区开始和结束位置所在的物理地址(柱面号、扇区号)，空间大小等信息。

        文件系统的存在使存取数据时，不再是简单地向某物理地址直接读写，而是要遵循它的读写格式。如经过逻辑转换，一个完整的文件可能被分开成多段存储到不连续的物理地址，使用目录或链表的方式来获知下一段的位置。

        使用文件系统时，数据都以文件的形式存储。写入新文件时，先在目录中创建一个文件索引， 它指示了文件存放的物理地址，再把数据存储到该地址中。当需要读取数据时，可以从目录中找到该文件的索引，进而在相应的地址中读取出数据。具体还涉及到逻辑地址、簇大小、不连续存储等一系列辅助结构或处理过程。

文件系统的结构与特性

文件系统的空间示意图

存储了A.TXT，B.TXT， C.TXT文件

目录示意图

记录了文件的开始位置、大小等信息

文件系统的空间示意图

存储了A.TXT，B.TXT， C.TXT文件

文件分配表

        文件 a.txt 我们根据目录项中指定的 a.txt 的首簇为 2，然后找到文件分配表的第 2 簇记录，上面登记 的是 3，就能确定下一簇是 3。找到文件分配表的第 3 簇记录，上面登记的 是 4，就能确定下一簇是 4......直到指到第 11 簇，发现下一个指向是 FF，就是结束。文件便读取完毕。

文件系统的空间示意图

删除B.TXT文件，创建D.TXT文件后的空间示意图

原目录示意图

删除B.TXT文件，创建D.TXT文件后的目录示意图

原文件分配表示意图

删除B.TXT文件，创建D.TXT文件后的文件分配表示意图

21.2 FatFs文件系统简介：

一、C语言中的文件操作

文件的打开操作

fopen 打开一个文件

文件的关闭操作

fclose 关闭一个文件

文件的读写操作

fgetc 从文件中读取一个字符

fputc 写一个字符到文件中去

fgets 从文件中读取一个字符串

fputs 写一个字符串到文件中去

fprintf 往文件中写格式化数据

fscanf 格式化读取文件中数据

fread 以二进制形式读取文件中的数据

fwrite 以二进制形式写数据到文件中去

getw 以二进制形式读取一个整数

putw 以二进制形式存贮一个整数

文件状态检查函数

feof 文件结束

ferror 文件读/写出错

clearerr 清除文件错误标志

ftell 了解文件指针的当前位置

文件定位函数

rewind 反绕

fseek 随机定位

二、FATFS文件系统简介：

        FatFs是面向小型嵌入式系统的一种通用的FAT文件系统。它完全是由AISI C语言编写并且完全独立于底层的I/O介质。因此它可以很容易地不加修改地移植到其他的处理器当中，如8051、 PIC、 AVR、 SH、 Z80、H8、 ARM等。 FatFs支持FAT12、 FAT16、 FAT32等格式。

        FatFs文件系统的源码可以从fatfs官网下载:

http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html

        利用前面写好的SPI Flash芯片驱动，把FatFs文件系统代码移植到工程之中，就可以利用文件系统的各种函数，对SPI Flash芯片以“文件”格式进行读写操作了。

三、FatFs的目录结构：

         下载FatFs源码包解压后，在doc 文件夹里面是一些使用帮助文档；在src 是FatFs文件系统的源代码。

四、FatFs帮助文档：

       其中 en 和 ja 这两个文件夹里面是编译好的html文档，讲的是FATFS里面各个函数的使用方法。 00index_e.html和00index_j.html是一些关于FATFS的简介。 

21.3 FATFS源码：

• integer.h：文件中包含了一些数值类型定义。

• diskio.c：包含底层存储介质的操作函数，这些函数需要用户自己实现，主要添加底层驱动函数。

• ff.c： FatFs核心文件，文件管理的实现方法。该文件独立于底层介质操作文件的函数，利用这些函数实现文件的读写。

• cc936.c：本文件在option目录下，是简体中文支持所需要添加的文件，包含了简体中文的GBK和Unicode相互转换功能函数。

• ffconf.h:这个头文件包含了对FatFs功能配置的宏定义，通过修改这些宏定义就可以裁剪FatFs的功能。如需要支持简体中文，需要把ffconf.h中的_CODE_PAGE 的宏改成936并把上面的cc936.c文件加入到工程之中。

        建议阅读这些源码的顺序为： integer.h --> diskio.c --> ff.c 。阅读文件系统源码ff.c文件需要一定的功底， 建议先阅读FAT32的文件格式，再去分析ff.c文件。若仅为了使用文件系统，则只需要理解integer.h及diskio.c文件并会调用ff.c文件中的函数就可以了。

FatFs在程序中的关系网络：

• 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。 这些应用层函数使用方法与标准C的文件操作函数类似。

• 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。

• 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。

FatFs移植需要用户支持函数：