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S3C2416裸机开发系列十七_GCC下Fatfs的移植
S3C2416裸机开发系列十七
GCC下Fatfs的移植
象棋小子 1048272975
对于固态存储器，其存储容量可以很大，往往需要一款文件系统对存储器用户数据进行组织文件的管理。它对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索。在嵌入式系统中，往往需要采用windows兼容的文件系统，像相机的照片、视频监控、语音产品等，很多都需要从windows计算机上提取资源或在windows计算机上进一步处理。Fatfs由于其开源免费，支持fat32，受到了广泛的应用，笔者此处就s3c2416移植Fatfs，对sd卡进行读写访问作一个简单的介绍。
1. Fatfs概述
Fatfs是由日本工程师ChaN所编写的fat文件系统模块，从06年发布第一个Fatfs版本开始，作者就从未停止维护和更新。Fatfs的编写遵循ANSI C，并且完全与磁盘I/O层分开。它不依赖于硬件架构，代码和工作区占用空间小，使之可以嵌入到各个低成本的微控制器中，如AVR、8051、PIC、ARM、Z80、68K等。
2. 代码准备
Fatfs源码，请读者自行从Fatfs官网http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html下载最新的源码。
s3c2416启动代码工程，启动代码是s3c2416/50/51这系列arm9芯片在运行用户c代码main函数之前必须先运行的代码，启动代码支持sd、Nand启动，为用户设置系统时钟，初始化内存，自动识别启动设备并搬移代码到RAM，MMU映射，中断管理等，用户只需专注于用c开发其它功能函数即可。关于启动代码以及启动代码的实现过程，笔者前面章节有非常详细的介绍。此处以GCC下移植Fatfs为讲解，下载”GCC启动代码工程应用实例”中的启动代码源码即可。如果在MDK下开发，下载”MDK启动代码工程应用实例”中的启动代码源码。
用户代码，用c开发的所有功能代码，其中，用户代码入口为main()函数，在这里需要实现sd卡驱动模块等。
3. 工程搭建
在linux操作系统下任一路径下新建一个Fatfs_GCC的工程目录，该目录下新建Fatfs目录，下载Fatfs最新源码并解压，把src目录内容全部拷贝到Fatfs目录下。
把启用代码目录start_code拷贝到Fatfs_GCC目录下，这部分代码无需任何的修改。并保留其中的Makefile这些文件，按照Makefile的模板添加各个目录的Makefile。GCC启动代码下的工程管理Makefile提取自uboot，可以方便地增加源代码以及代码目录。
在Fatfs_GCC目录下新建apps目录，用来保存应用相关的源码以及各个模块驱动。
4. Fatfs移植
Fatfs模块完全独立于磁盘I/O层，因此底层磁盘I/O访问并不属于Fatfs的模块部分，用户必须自己实现这部分用来访问存储设备。通常在diskio.c中实现这六个函数disk_initialize()、disk_status()、disk_read()、disk_wirte()、disk_ioctl()、get_fattime()即可。如果使能了OS相关的特性，则还需额外实现进程/内存函数。sd卡底层驱动实现在前面的章节有详细的介绍，此处直接在Fatfs移植接口中调用sd驱动模块中的相关函数。
4.1. disk_initialize函数
初始化存储设备，若设备初始化成功，应清除STA_NOINIT这个标志返回。若初始化不成功，应置位STA_NOINIT标志再返回。如果在初始化时，未检测到卡，可设置STA_NODISK标志表明无卡，检测到写保护，可设置STA_PROTECT标志表明写保护。
static DSTATUS State = STA_NOINIT;
DSTATUS disk_initialize (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber (0..) */
)
{
if (pdrv != 0) {
return STA_NOINIT; // 仅支持driver0
}
if (!Hsmmc_Init()) { // 调用sd卡初始化
State &= ~STA_NOINIT; // 初始化成功
} else {
State |= STA_NOINIT;
}
return State;
}
4.2. disk_status函数
获取设备的状态，返回STA_NOINIT、STA_NODISK、STA_PROTECT这三个标志的组合。磁盘设备的状态随时都可能发生变化，例如初始化后的sd卡在某一时刻被拔出，此时无卡，Fatfs通过disk_status函数重新获知STA_NODISK无卡这一标志。
DSTATUS disk_status (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber (0..) */
)
{
if (pdrv != 0) {
return STA_NOINIT; // 仅支持driver0
}
return State;
}
4.3. disk_read函数
读取扇区，Fatfs通过该函数从磁盘某一扇区地址开始获取一块或多块扇区的数据，Fatfs最多支持一次性读写128个扇区的数据，通常磁盘都支持多块读、多块写，并且这样的读写性能远远好于分单块的读写。
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) */
)
{
if (pdrv || !count) {
return RES_PARERR;
}
if (State & STA_NOINIT) {
return RES_NOTRDY;
}
if (!Hsmmc_ReadBlock(buff, sector,count)) {
return RES_OK; // 读取成功
} else {
return RES_ERROR; // 读取出错
}
}
4.4. disk_wirte函数
写扇区，Fatfs通过该函数从磁盘某一扇区地址开始写入一块或多块扇区的数据。如果只读(_FS_READONLY == 1)，可以不实现该函数。
#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) */
)
{
if (pdrv || !count) {
return RES_PARERR;
}
if (State & STA_NOINIT) {
return RES_NOTRDY;
}
if (State & STA_PROTECT) {
return RES_WRPRT;
}
if (!Hsmmc_WriteBlock((unsignedchar *)buff, sector, count)) {
return RES_OK; // 写成功
} else {
return RES_ERROR; // 写错误
}
}
#endif
4.5. disk_ioctl函数
控制设备相关的功能，Fatfs使用5个设备独立的命令控制/获取设备特定的功能。
CTRL_SYNC：写同步，在关闭文件等操作时，如果磁盘I/O口层使用了写缓存，那么通知磁盘I/O口层把写缓存中的数据写回到磁盘中。对于没有写缓存，即每次disk_write均写入到磁盘中，无需处理该命令，只需返回RES_OK即可。在可写时_FS_READONLY == 0，该命令才会被使用。
GET_SECTOR_COUNT：获取磁盘的总扇区数，在用f_mkfs()格式化文件系统，f_fdisk对磁盘分区时均会使用这个命令来获取磁盘的总扇区数，对于sd卡，通过CSD获取卡容量信息。在支持格式化文件系统或多分区的情况下(_USE_MKFS == 1 或 _MULTI_PARTITION== 1)，该命令才会被使用。
GET_SECTOR_SIZE：获取磁盘一个扇区的字节数，有效值为512、1024、2048或4096。对于大部分的系统，所有内存卡，硬盘，通常返回扇区大小为512字节，但对于flash，一页可能为512字节，也可能为1k字节，2k字节，4k字节，需要根据具体的flash页大小进行配置。
GET_BLOCK_SIZE：以扇区为单位获取擦除块的大小。在用f_mkfs()格式化文件系统时，用来使数据区对齐到擦除块。例如，第一个擦除块往往用来保存系统信息等，真正的数据在第二个擦除块位置开始存放。该命令并不重要，可直接返回1表明1个扇区对齐。此处与原作者移植例程保持一致，对sd2.0版本卡，返回AU(可分配单元)的大小，sd1.0版本卡，返回擦除块大小。在_USE_MKFS == 1时，该命令才被使用。
CTRL_ERASE_SECTOR：擦除某一段扇区，对于flash，都是要先擦除才能正确写入，对于nor、nand flash，某一个文件不再使用时(例如删除或被覆盖)，先发出这个命令强制设备擦除这个文件所在的空间区域，之后在disk_write无需再对flash进行擦除操作，因为每次文件不再使用时，都已经先擦除了这部分。对于sd卡等，这个命令没有任何用处，因为sd卡接收到块写命令均是先擦除再写。如果再开启这个命令_USE_ERASE == 1，相当重复擦除。对于sd卡，建议设置_USE_ERASE == 0，不使用这个命令。
#if _USE_IOCTL
DRESULT disk_ioctl (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
BYTE cmd, /* Control code */
void *buff /* Buffer to send/receive control data */
)
{
unsigned char CSD[16];
unsigned charSdState[64];
unsigned int c_size,c_size_multi, read_bl_len, sector_size, au_size;
DRESULT Result =RES_ERROR;
if (pdrv) {
return RES_PARERR;
}
if (State &STA_NOINIT) {
return RES_NOTRDY;
}
switch (cmd) {
case CTRL_SYNC:
Result = RES_OK;// 写sd卡驱动函数确保了写完才返回,已写同步了
break;
case GET_SECTOR_COUNT:/* Get drive capacity in unit of sector (DWORD) */
if(!Hsmmc_Get_CSD(CSD)) {
if((CSD[15]>>6) == 1) { // CSD v2.00->SDHC卡
c_size =((CSD[8]&0x3f) << 16) + (CSD[7]<<8) + CSD[6]; // [69:48]
// 卡容量为字节(c_size+1)*512K byte,以1扇区512 byte字,卡的扇区数为
*(DWORD*)buff = (c_size+1) << 10;
} else { //CSD v1.0->sd V1.x, sd v2.00 standard
read_bl_len= CSD[10] & 0xf; // [83:80]
c_size_multi= ((CSD[6] & 0x3) << 1) +
((CSD[5] & 0x80) >> 7); // [49:47]
c_size =((WORD)(CSD[9]&0x3) << 10) +
((WORD)CSD[8]<<2)+ (CSD[7]>>6); // [73:62]
// 卡容量为字节(c_size+1)*2^(c_size_multi+2)*2^(read_bl_len)
// 以1扇区 512 byte计,卡扇区数为
*(DWORD*)buff = (c_size + 1) << (read_bl_len +
(c_size_multi + 2) - 9);
}
Result =RES_OK;
}
break;
case GET_SECTOR_SIZE : /* Get sector size in unit of byte (WORD) */
*(WORD *)buff =512;
Result = RES_OK;
break;
case GET_BLOCK_SIZE:/* Get erase block size in unit of sector (DWORD) */
if(!Hsmmc_Get_CSD(CSD)) {
if((CSD[15]>>6) == 1) { // CSD v2.00, SDHC卡
// v2.00扇区大小等信息在CSD中不再有效,需从sd state获取这些信息
if(!Hsmmc_GetSdState(SdState)) {
//Allocation Unit(AU)[431:428],SdState[0]保存的是状态的高位
au_size= (SdState[10] >> 4);
// 1au单位为16k,转化为512字节扇区数
*(DWORD*)buff = 16UL << au_size;
Result= RES_OK;
}
} else { //CSD v1.0,sd version 1.x, sd version 2.00 standard
sector_size =((CSD[5] & 0x3f) << 1) + (CSD[4] >> 7); // [45:39]
// 擦除块大小为扇区大小*块长度(512为单位)
*(DWORD*)buff = (sector_size + 1) << ((CSD[2] >> 6) - 1);
Result =RES_OK;
}
}
break;
caseCTRL_ERASE_SECTOR: /* Erase a block of sectors (used when _USE_ERASE == 1) */
if (!Hsmmc_EraseBlock(((DWORD*)buff)[0], ((DWORD *)buff)[1])) {
Result =RES_OK;
}
break;
default:
break;
}
return Result;
}
#endif
4.6. get_fattime函数
用来获取当前RTC的时间，从1980年开始计算时间戳，用来记录文件的创建时间，修改时间等。如果觉得文件的时间记录无关紧要，可直接返回0。在只读系统中(_FS_READONLY == 1)，该函数不会被调用。
#if _USE_WRITE
DWORD get_fattime()
{
RTC_Time Time;
RTC_GetTime(&Time);
return (((Time.Year - 1980)<< 25) | (Time.Month << 21) |
(Time.Day << 16) |(Time.Hour << 11) |
(Time.Min << 5) |(Time.Sec << 1));
}
#endif
get_fattime函数需要用到RTC模块驱动，对于s3c2416，RTC驱动模块RTC.c的实现如下：
#include "s3c2416.h"
#include "RTC.h"
void RTC_GetTime(RTC_Time *pTime)
{
rRTCCON |= (1 << 0);
pTime->Year = 2000 + ((rBCDYEAR& 0xf0) >> 4)*10 + (rBCDYEAR & 0xf);
pTime->Month =((rBCDMON>>4) & 0x1)*10 + (rBCDMON & 0xf);
pTime->Day =((rBCDDATE>>4) & 0x3)*10 + (rBCDDATE & 0xf);
pTime->Week = (rBCDDAY &0x7) - 1; // Sunday = 0
pTime->Hour =((rBCDHOUR>>4) & 0x3)*10 + (rBCDHOUR & 0xf);
pTime->Min =((rBCDMIN>>4) & 0x7)*10 + (rBCDMIN & 0xf);
pTime->Sec = ((rBCDSEC>>4)& 0x7)*10 + (rBCDSEC & 0xf);
rRTCCON &= ~(1 << 0);
}
void RTC_SetTime(RTC_Time *pTime)
{
rRTCCON = (1<<0); // Tick1hz
rBCDYEAR =((pTime->Year%100/10) << 4 | (pTime->Year%100%10) << 0);
rBCDMON = ((pTime->Month/10)<< 4) | ((pTime->Month%10) << 0);
rBCDDATE = ((pTime->Day/10)<< 4) | ((pTime->Day%10) << 0);
rBCDDAY = (pTime->Week+1); //Sunday = 0;
rBCDHOUR = ((pTime->Hour/10)<< 4) | ((pTime->Hour%10) << 0);
rBCDMIN = ((pTime->Min/10)<< 4) | ((pTime->Min%10) << 0);
rBCDSEC = ((pTime->Sec/10)<< 4) | ((pTime->Sec%10) << 0);
rRTCCON &= ~(1 << 0);
}
void RTC_Init(const RTC_Time *pTime)
{
unsigned char YearTens, YearOnes;
rRTCCON |= (1 << 0);
YearTens = (rBCDYEAR & 0xf0)>> 4;
YearOnes = (rBCDYEAR & 0xf)>> 0;
// 初始化RTC为2014,若已是2014认为时间设置已初始化
if ((YearTens != 1) || YearOnes< 4 || YearOnes >= 8) {
rRTCCON = (5<<5) |(0<<4) | (1<<0); // Tick 1hz
rBCDYEAR =((pTime->Year%100/10) << 4 | (pTime->Year%100%10) << 0);
rBCDMON =((pTime->Month/10) << 4) | ((pTime->Month%10) << 0);
rBCDDATE = ((pTime->Day/10)<< 4) | ((pTime->Day%10) << 0);
rBCDDAY = (pTime->Week+1);// Sunday = 0;
rBCDHOUR =((pTime->Hour/10) << 4) | ((pTime->Hour%10) << 0);
rBCDMIN = ((pTime->Min/10)<< 4) | ((pTime->Min%10) << 0);
rBCDSEC = ((pTime->Sec/10)<< 4) | ((pTime->Sec%10) << 0);
}
rRTCCON &= ~(1 << 0);
}
RTC模块头文件RTC.h如下：
#ifndef __RTC_H__
#define __RTC_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
typedef struct RTC_Time {
unsigned short Year;
unsigned char Month;
unsigned char Day;
unsigned char Hour;
unsigned char Min;
unsigned char Sec;
unsigned char Week;
} RTC_Time;
void RTC_SetTime(RTC_Time *pTime);
void RTC_GetTime(RTC_Time *pTime);
void RTC_Init(const RTC_Time *pTime);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /*__RTC_H__*/
至此Fatfs模块磁盘底层IO调用接口全部移植完成。
5. 应用测试
移植好Fatfs后，即可在main中调用Fatfs中的api函数实现对sd卡读写文件的操作。这部分的测试内容main.c如下：
#include "s3c2416.h"
#include "UART0.h"
#include "ff.h"
#include "diskio.h"
#include "RTC.h"
const unsigned char TestData[] = {
"\tGCC下Fatfs的移植\r\n"
"象棋小子\t1048272975\r\n"
"对于固态存储器，其存储容量可以很大，往往需要一款文件系统对存储器用户数据\r\n"
"进行组织文件的管理。它对文件存储器空间进行组织和分配，负责文件的存储并对\r\n"
"存入的文件进行保护和检索。在嵌入式系统中，往往需要采用windows兼容的文件\r\n"
"系统，像相机的照片、视频监控、语音产品等，很多都需要从windows计算机上\r\n"
"提取资源或在windows计算机上进一步处理。Fatfs由于其开源免费，支持fat32，\r\n"
"受到了广泛的应用，笔者此处就s3c2416移植Fatfs，对sd卡进行读写访问作一个\r\n"
"简单的介绍。\r\n"
};
unsigned char TestData1[sizeof(TestData)];
int main()
{
unsigned int i;
FATFS fs;
FIL file;
FRESULT Res;
unsigned int ByteWrite, ByteRead;
RTC_Time Time = {
2014, 5, 22, 23, 00, 0, 5
};
RTC_Init(&Time);
Uart0_Init();
RTC_GetTime(&Time);
Uart0_Printf("Time:%4d/%02d/%02d %02d:%02d:%02d\n\r", Time.Year,
Time.Month, Time.Day,Time.Hour, Time.Min, Time.Sec);
f_mount(&fs, "" ,0);
/* Res = f_mkfs("", 0,4096);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("f_mkfserror %d", Res);
while(1);
}
*/
Res= f_open(&file, "test.txt", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Create filefailed\n\r");
while(1);
}
Res = f_write(&file, (unsignedchar *)&TestData, sizeof(TestData), &ByteWrite);
if (Res != RES_OK) {
f_close(&file);
Uart0_Printf("Write fileerror\n\r");
while(1);
}
Uart0_Printf("WriteText.txt:\r\n%s\r\n", TestData);
f_close(&file);
Res = f_open(&file, "test.txt",FA_READ | FA_OPEN_EXISTING);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Open filefailed\n\r");
while(1);
}
Res = f_read(&file, (unsignedchar *)&TestData1, sizeof(TestData1), &ByteRead);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Read fileerror\n\r");
while(1);
}
Uart0_Printf("ReadText.txt:\r\n%s\r\n", TestData1);
f_close(&file);
if (ByteRead != ByteWrite) {
Uart0_Printf("Comparefailed\r\n");
}
for (i=0; i<sizeof(TestData);i++) {
if (TestData1[i] !=TestData[i]) {
break;
}
}
Uart0_Printf("Total compare%d, abort at i = %d", sizeof(TestData), i);
while(1) {
}
}
6. 附录
由于在GCC在进行裸机开发，glibc并不适合，应通过arm-linux-gcc编译生成嵌入式库，如newlib，uclibc等。并在Makefile中更正嵌入式c库的路径，才能make。
Fatfs_GCC，GCC下Fatfs移植工程，更改Makefile中c库的路径，进行make即可。
http://pan.baidu.com/s/1gtXhG
Fatfs_MDK，MDK下Fatfs移植工程。
http://pan.baidu.com/s/1ntE30EX