详细了解并学习FatFS文件系统的基本原理

最近做的spi flash，本打算弄个文件系统，由于之前用过了JFFS、YAFFS和TrueFFS，代码量都相当的大，这次想找款代码量不那么吓人的，学习一下，听说配置会相对复杂一些。选来选去，最终选定了FatFS，代码量足够的小，最新的R0.09版本只有1个.c文件(当然，还有一个底层的要自己写，opTIon文件夹里的无视)，老点版本就更小了。而且更新很频繁，用户量也够大，就选定它了。尽管最后由于硬件和项目原因未能实际的移植它到vxWorks，但学过的还是要记录下。

在这里http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html下载源码，只有800多K，小的可怜，还可以下载示例程序，有AVR、Win32、lpc等多平台已实现的方案。打开看src文件夹，一个opTIon文件夹、00readme.txt、diskio.h、ff.c、ff.h、ffconf.h和interger.h。移植时需要修改的文件主要包括ffconf.h和interger.h，后者是在它的定义与目标平台上的有冲突，或者用的不习惯时修改的。

在做具体修改之前，先大概阅读下FatFS的源代码，可以先读integer.h,了解所用的数据类型，然后是ff.h,了解文件系统所用的数据结构和各种函数声明，再就是diskio.h，了解与介质相关的数据结构和 *** 作函数。ff.c这个文件相对较大，可以在最后将所实现的函数大致扫描一遍，之后根据用户应用层程序调用函数的次序仔细阅读相关代码。各个文件都可以直接用记事本打开查阅，非常方便。ff.h中的几个结构体十分重要，列举如下，首先是最基础的文件系统结构体：

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/* File system object structure (FATFS) */  

typedef struct {  

BYTE    fs_type;        /* FAT子类型，一般在mount时用，置0表示未挂载*/  

BYTE    drv;            /* 物理驱动号，一般为0*/  

BYTE    csize;          /* 每个簇的扇区数目(1,2,4...128) */  

BYTE    n_fats;         /* 文件分配表的数目(1,2) */  

/*FAT文件系统依次为：引导扇区、两个文件分配表、根目录区和数据区*/  

BYTE    wflag;          /* 标记文件是否被改动过，为1时要回写*/  

BYTE    fsi_flag;       /* 标记文件系统信息是否被改动过，为1时要回写*/  

WORD    id;             /* 文件系统挂载ID */  

WORD    n_rootdir;      /* 根目录区入口(目录项)的个数(用于FAT12/16)*/  

#if _MAX_SS != 512   

WORD    ssize;          /* 每扇区的字节数(用于扇区大于512Byte的flash) */  

#endif   

#if _FS_REENTRANT   

_SYNC_t sobj;           /* 允许重入，即定义同步对象，用在TIny中*/  

#endif   

#if !_FS_READONLY   

DWORD   last_clust;     /* 最后一个被分配的簇*/  

DWORD   free_clust;     /* 空闲簇的个数*/  

DWORD   fsi_sector;     /* 存放fsinfo的扇区(用于FAT32) */  

#endif   

#if _FS_RPATH   

DWORD   cdir;           /* 允许相对路径时用，存储当前目录起始簇(0:root)*/  

#endif   

DWORD   n_fatent;       /* FAT入口数(簇的数目 + 2)*/  

DWORD   fsize;          /* 每个FAT所占扇区*/  

DWORD   fatbase;        /* FAT起始扇区*/  

DWORD   dirbase;        /* 根目录起始扇区(FAT32:Cluster#) */  

DWORD   database;       /* 数据目录起始扇区*/  

DWORD   winsect;        /* 当前缓冲区中存储的扇区号*/  

BYTE    win[_MAX_SS];   /* 单个扇区缓存*/  

} FATFS;  

/* File system object structure (FATFS) */typedef struct {BYTEfs_type;/* FAT子类型，一般在mount时用，置0表示未挂载*/BYTEdrv;/* 物理驱动号，一般为0*/BYTEcsize;/* 每个簇的扇区数目(1,2,4...128) */BYTEn_fats;/* 文件分配表的数目(1,2) *//*FAT文件系统依次为：引导扇区、两个文件分配表、根目录区和数据区*/BYTEwflag;/* 标记文件是否被改动过，为1时要回写*/BYTEfsi_flag;/* 标记文件系统信息是否被改动过，为1时要回写*/WORDid;/* 文件系统挂载ID */WORDn_rootdir;/* 根目录区入口(目录项)的个数(用于FAT12/16)*/#if _MAX_SS != 512WORDssize;/* 每扇区的字节数(用于扇区大于512Byte的flash) */#endif#if _FS_REENTRANT_SYNC_tsobj;/* 允许重入，即定义同步对象，用在TIny中*/#endif#if !_FS_READONLYDWORDlast_clust;/* 最后一个被分配的簇*/DWORDfree_clust;/* 空闲簇的个数*/DWORDfsi_sector;/* 存放fsinfo的扇区(用于FAT32) */#endif#if _FS_RPATHDWORDcdir;/* 允许相对路径时用，存储当前目录起始簇(0:root)*/#endifDWORDn_fatent;/* FAT入口数(簇的数目 + 2)*/DWORDfsize;/* 每个FAT所占扇区*/DWORDfatbase;/* FAT起始扇区*/DWORDdirbase;/* 根目录起始扇区(FAT32:Cluster#) */DWORDdatabase;/* 数据目录起始扇区*/DWORDwinsect;/* 当前缓冲区中存储的扇区号*/BYTEwin[_MAX_SS];/* 单个扇区缓存*/} FATFS;

然后是与之相关的文件和文件夹结构体，附上具体注释：

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/* File object structure (FIL) */  

typedef struct {  

FATFS*  fs;             /* 所在的fs指针*/  

WORD    id;             /* 所在的fs挂载编号*/  

BYTE    flag;           /* 文件状态*/  

BYTE    pad1;           /* 不知道含义，也未见程序使用*/  

DWORD   fptr;           /* 文件读写指针*/  

DWORD   fsize;          /* 大小*/  

DWORD   sclust;         /* 文件起始簇(fsize=0时为0) */  

DWORD   clust;          /* 当前簇*/  

DWORD   dsect;          /* 当前数据扇区*/  

#if !_FS_READONLY   

DWORD   dir_sect;       /* 包含目录项的扇区 */  

BYTE*   dir_ptr;        /* Ponter to the directory entry in the window */  

#endif   

#if _USE_FASTSEEK   

DWORD*  cltbl;          /*指向簇链接映射表的指针*/  

#endif   

#if _FS_SHARE   

UINT    lockid;         /* File lock ID (index of file semaphore table) */  

#endif   

#if !_FS_TINY   

BYTE    buf[_MAX_SS];   /* File data read/write buffer */  

#endif   

} FIL;  

/* File object structure (FIL) */typedef struct {FATFS*fs;/* 所在的fs指针*/WORDid;/* 所在的fs挂载编号*/BYTEflag;/* 文件状态*/BYTEpad1; /* 不知道含义，也未见程序使用*/DWORDfptr;/* 文件读写指针*/DWORDfsize;/* 大小*/DWORDsclust;/* 文件起始簇(fsize=0时为0) */DWORDclust;/* 当前簇*/DWORDdsect;/* 当前数据扇区*/#if !_FS_READONLYDWORDdir_sect;/* 包含目录项的扇区 */BYTE*dir_ptr;/* Ponter to the directory entry in the window */#endif#if _USE_FASTSEEKDWORD*cltbl;/*指向簇链接映射表的指针*/#endif#if _FS_SHAREUINTlockid;/* File lock ID (index of file semaphore table) */#endif#if !_FS_TINYBYTEbuf[_MAX_SS];/* File data read/write buffer */#endif} FIL;

下面是目录的：

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/* Directory object structure (DIR) */  

typedef struct {  

FATFS*  fs;             /* 同上*/  

WORD    id;  

WORD    index;          /* 当前读写索引号 */  

DWORD   sclust;         /* 文件数据区开始簇*/  

DWORD   clust;          /* 当前簇*/  

DWORD   sect;           /* 当前扇区*/  

BYTE*   dir;            /* 扇区缓存中当前SFN入口指针，SFN含义未知，猜测和LFN类似，与文件名相关*/  

BYTE*   fn;             /* Pointer to the SFN (in/out) {file[8],ext[3],status[1]} */  

#if _USE_LFN   

WCHAR*  lfn;            /* Pointer to the LFN working buffer */  

WORD    lfn_idx;        /* Last matched LFN index number (0xFFFF:No LFN) */  

#endif   

} DIR;  

/* Directory object structure (DIR) */typedef struct {FATFS*fs;/* 同上*/WORDid;WORDindex;/* 当前读写索引号 */DWORDsclust;/* 文件数据区开始簇*/DWORDclust;/* 当前簇*/DWORDsect;/* 当前扇区*/BYTE*dir;/* 扇区缓存中当前SFN入口指针，SFN含义未知，猜测和LFN类似，与文件名相关*/BYTE*fn;/* Pointer to the SFN (in/out) {file[8],ext[3],status[1]} */#if _USE_LFNWCHAR*lfn;/* Pointer to the LFN working buffer */WORDlfn_idx;/* Last matched LFN index number (0xFFFF:No LFN) */#endif} DIR;

其他类似f_mount、f_open等接口API就不细说了，在挂载的时候其实真正起作用的是chk_mounted函数，在这里才会将挂载分区的相关信息分配到FatFS结构体中；还有一个get_fat函数，也比较重要，在f_open和许多目录 *** 作的函数中都有用到，而且FAT入口这个表达也十分晦涩，而它又调用了一个move_window的函数，也是十分晦涩难懂，可能是我英语太烂的缘故吧。实际上，move_window的作用是改变文件系统的当前工作扇区，如果要迁移到的是当前扇区，直接返回，如果不是，就将原扇区写回，若是FAT表，还要写进备份区。

熟悉了代码结构后，现在开始作修改了，首先修改ffconf.h文件配置与硬件相关的文件系统特性，然后自己添加一套底层 *** 作即可。先看ffconf.h，里面定义了很多宏，可以根据自己需要一一配置：

先看功能配置：

_FS_TINY：文件系统为标准的还是微型的，默认为标准的(0)；

_FS_READONLY：文件系统是否为只读，默认为可读写(0)，若只读则f_write、f_sync、 f_unlink、f_mkdir、f_chmod、f_rename、f_truncate和f_getfree不可用；

_FS_MINIMIZE：裁剪文件系统的功能，默认为全部功能(0)，若为1、2则会移除大部分链接、目录等功能；

_USE_STRFUNC：是否允许字符串 *** 作，默认为不允许(0)，这个看个人需求，一般情况下设置为1即可，如果工作在windows下，为保证文件兼容性(如换行符’\n’和回车符’\r’)建议将此项设置为2；

_USE_MKFS：是否允许使用f_mkfs函数，默认为0，用于创建文件夹，建议开启；

_USE_FORWARD：用于允许f_forward函数，只有开启tiny文件系统时才用到，该函数用于将读写的数据立即转存到数据流中，以节省RAM空间；

_USE_FASTSEEK：是否开启快速索引，默认为0，开启后，会使用FIL结构体中的cltbl元素来加快搜索；

_CODE_PAGE：指定目标系统使用的OEM代码页，默认为日语(932)，改为936简体中文；OEM是什么意思呢？在OS编码中，unicode是一种双字节字符编码，无论中文还是英文，或者其他语言统一到2个字节，它与现有的任何编码（ASCII，GB等）都不兼容。WindowsNT(2000)的内核即使用该编码，所有数据进入内核前转换成UNICODE，退出内核后在转换成版本相关的编码（通常称为OEM，在简体中文版下即为GB)；

_USE_LEN、_MAX_LEN、_LFN_UNICODE：这三个的意思不是很清楚，但是确定是与长文件名有关的，不建议开启，否则又要多加函数，麻烦；

_FS_RPATH：是否允许相对路径，让我选择就不开启，否则逻辑变得复杂不说，代码量也变多了一些；

再看硬件相关配置：

_VOLUMES：磁盘(flash)逻辑卷数，默认为1，不建议修改；

_MAX_SS：扇区大小，默认512Byte，最大可设置4096Byte；

_MULTI_PARTITION：分区选项，默认为0，即一个分区，若想要多分区可自行设置；

_USE_ERASE：是否允许扇区擦除，默认为0，若开启则要在disk_ioctl函数中添加擦除命令代码；

最后是文件系统配置：

_WORD_ACCESS：数据递进格式，默认为0，即以字节为单位递进，兼容性更强，若你的系统最新单位为字(2Byte)，则可设为1；

_FS_REENTRANT、_FS_TIMEOUT、_SYNC_t：这三个选项与文件系统是否允许重入有关，所直白点，就是能否被多线程同时访问，像RTOS中，一般建议开启，_SYNC_t可定义为对应OS中的 *** 作对象，windows下为HANDLE，uCos中为OS_EVENT，vxWorks中为SEMAPHORE。另外，开启后还需要添加ff_req_grant、ff_rel_grant和ff_del_syncobj三个函数，实际上实现的功能就是申请互斥量、释放互斥量和删除互斥量的意思，可以定义OS封装即可；

_FS_SHARE：和上面的类似，表示文件系统最大允许同时打开多少文件，默认为0，即只能打开一个。

在配置这些选项的时候，可以根据定义阅读ff.c文件中的相关代码，基本上能对整体的结果有了了解，完成了ffconf.h后，再就是编写底层接口了，在新一点的FatFs中，并未提供函数接口模版，可以下老版的拷过来，也可以打开doc文件夹下的帮助文档00index_e.htm文件，里面有底层函数接口的格式及各个参数的描述。至于底层驱动，我只做过spi flash的，这个可以参考我上一篇文章。需要注意的是，底层读写函数中的参数sector指的是扇区的序号，需要自己换算成驱动接口中的字节位置。

到这里，移植基本完成了，如果你的文件系统出现LD_WORD(ptr) (WORD)(*(WORD*)(BYTE*)(ptr))有问题(数据异常终止DATA ABORT exception之类的)的情况，请百度搜索“转一篇比较详细介绍FatFS文件系统移植的文章”就可以搞定了，那里有详细的解决办法。