FATFS搭建以及測試方案

第一部分FATFS系統(tǒng)的特點(diǎn)和原理FatFs是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用FAT(FileAllocationTable)文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSIC,并且完全與磁盤I/O層分開。因此，它獨(dú)立于硬件構(gòu)架。它可以被嵌入到低成本的微控制器中，如AVR、8051、PIC、ARM、Z80、68K等等，而不需要做任何修改。ApplicationFatFsModuleLowleveldiskI/ORTC(SD,ATA，USB,NAND)圖1.1FATFS示意圖其特點(diǎn)是：兼容Windows的FAT文件系統(tǒng)?不依賴于硬件平臺與架構(gòu)，易于移植代碼和工作區(qū)占用空間非常小多種配置選項(xiàng)■■■■■■■另外，多ANSI/OEM或Unicode中長文件名的支持RTOS的支持多扇區(qū)大小的支持只讀，最少API，I/O緩沖區(qū)等等FatFs提供了豐富的API函數(shù)，包括驅(qū)動器的建立，文件的讀寫以及目錄的設(shè)立第二部分FATFS文件系統(tǒng)移植主要實(shí)現(xiàn)功能分析2.1功能分析結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本次FatFs文件系統(tǒng)的移植主要實(shí)現(xiàn)的功能為：?通過特定的“開始”按鍵等輸入控制文件的創(chuàng)建以及實(shí)驗(yàn)的開始；?從節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)持續(xù)寫入特定的txt文件中，在寫入過程中需要加入斷電保護(hù)使得設(shè)備在突發(fā)斷電中可以將當(dāng)前緩存中的數(shù)據(jù)全部寫入或者舍棄；按下“結(jié)束”按鍵，停止本次實(shí)驗(yàn)，并生成第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件，再度按下“開始”按鈕開始實(shí)驗(yàn)時會重新建立一個新的txt文本文檔，并將數(shù)據(jù)寫入；在實(shí)驗(yàn)過程中需要對當(dāng)前SD卡的讀寫狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，比如寫入的狀態(tài)和剩余的容量等：＞當(dāng)SD卡剩余容量小于一定界限時（此界限可根據(jù)反應(yīng)時間和寫入速度決定），會給予報警信號進(jìn)行提示；另外，分析以下功能實(shí)現(xiàn)的主要矛盾點(diǎn)：?傳感器節(jié)點(diǎn)采樣速度為200Hz，平均5ms一次，每次采集數(shù)據(jù)大小約為1KB,所以SD卡寫入速度理論上應(yīng)為200KB/S。這個速度會受到寫入次數(shù)、文件系統(tǒng)操作次數(shù)以及文件數(shù)量的影響。寫入的數(shù)據(jù)需要斷電保護(hù)，主要目的是防止斷電使得一幀數(shù)據(jù)并未完全寫入txt文件中，成為無用數(shù)據(jù)。2.2主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)與流程根據(jù)以上需求，在本次SD卡文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，主要使用f_mount、f_open、f_write、f_lseek、f_sync等函數(shù)，下面著重結(jié)合FATFS系統(tǒng)的原理對以上函數(shù)的工作流程進(jìn)行分析。根據(jù)FATFS的例程顯示，一般的寫操作包括以下幾個步驟：1．f_mount主要功能：注冊/注銷一個工作區(qū)。描述：f_mount函數(shù)在FatFs模塊上注冊/注銷一個工作區(qū)。在使用任何其他文件函數(shù)之前，必須使用該函數(shù)為每個卷注冊一個工作區(qū)。要注銷一個工作區(qū)，只要指定FileSystemObject為NULL即可，然后該工作區(qū)可以被丟棄。該函數(shù)只初始化給定的工作區(qū)，以及將該工作區(qū)的地址注冊到內(nèi)部表中，不訪問磁盤I/O層。卷裝入過程是在f_mount函數(shù)后或存儲介質(zhì)改變后的第一次文件訪問時完成的。此函數(shù)主要功能是注冊一個驅(qū)動器，以為后面創(chuàng)建文件所用。2．f_open主要功能：創(chuàng)建/打開一個用于訪問文件的文件對象。描述：如果函數(shù)成功，則創(chuàng)建一個文件對象。該文件對象被后續(xù)的讀/寫函數(shù)用來訪問文件。如果想要關(guān)閉一個打開的文件對象，則使用f_close函數(shù)。如果不關(guān)閉修改后的文件，那么文件可能會崩潰。在使用任何文件函數(shù)之前，必須使用f_mount函數(shù)為驅(qū)動器注冊一個工作區(qū)。只有這樣，其他文件函數(shù)才能正常工作。另外，此函數(shù)創(chuàng)建的文件可設(shè)置多種模式，本例中由于需要創(chuàng)建并寫入文檔，則需要設(shè)置可寫并自動創(chuàng)建的方式。3．f_write主要功能：寫入數(shù)據(jù)到一個文件。：：：：：：咨左!：：：：：：咨左!:企翩、旳再加：*^frjWd：圖2.1f_write的工作原理示意圖描述：先前的f_open是將一個創(chuàng)建的文件設(shè)置為活動的狀態(tài)，也就是允許按照其事先設(shè)置的模式進(jìn)行讀寫操作等。文件對象中的讀/寫指針以已寫入字節(jié)數(shù)增加。該函數(shù)成功后，應(yīng)該檢查*ByteWritten來檢測磁盤是否已滿。在寫操作過程中，一旦*ByteWritten

<*ByteToWritten，則意味著該卷已滿。4．f_lseek主要功能：移動一個打開的文件對象的文件讀/寫指針。也可以被用來擴(kuò)展文件大?。ù仡A(yù)分配）。描述：采集的數(shù)據(jù)是按照一定的頻率寫入文檔的，每次寫入需要在上一次寫入的位置接著寫，而非替換原有數(shù)據(jù)。f_write的指針每次都默認(rèn)指向文檔開頭。因此，必須在寫操作前將寫指針移向文本最后。5．f_close主要功能：關(guān)閉一個活動的文件。描述：f_close函數(shù)關(guān)閉一個打開的文件對象。無論向文件寫入任何數(shù)據(jù)，文件的緩存信息都將被寫回到磁盤。該函數(shù)成功后，文件對象不再有效，并且可以被丟棄。如果文件對象是在只讀模式下打開的，不需要使用該函數(shù)，也能被丟棄。6．f_sync主要功能：沖洗一個寫文件的緩存信息。ITiV-V1:外孫刨」RflJi.rnrir溶I代ITiV-V1:外孫刨」RflJi.rnrir溶I代?應(yīng)罔八：：：：：：應(yīng)筆!:節(jié)曲IS■知呂加：：：：：：1:::::輸::::Fuflci圖2.2f_write的工作原理示意圖描述：其執(zhí)行過程與f_close相同。但是文件仍處于打開狀態(tài)，并且可以繼續(xù)對文件執(zhí)行讀/寫/移動指針操作。這適用于以寫模式長時間打開文件，比如數(shù)據(jù)記錄器。定期的或f_write后立即執(zhí)行f_sync可以將由于突然斷電或移去磁盤而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險最小化。在f_close前立即執(zhí)行f_sync沒有作用，因?yàn)樵趂_close中執(zhí)行了f_sync。換句話說，這兩個函數(shù)的差異就是文件對象是不是無效的。本例設(shè)計的程序基本結(jié)構(gòu)如下所示：流程圖開臺創(chuàng)建驅(qū)動器所對應(yīng)使用的函數(shù)f_mount創(chuàng)建新文件并設(shè)置

寫模式f_open是否滿足結(jié)束條件f_size將當(dāng)前寫指針的位置偏

移到文件末尾f_lseek數(shù)據(jù)寫入f_write沖洗寫緩存f_sync結(jié)束圖2.3寫數(shù)據(jù)流程圖fclose第三部分FATFS移植測試問題分析與解決方案3.1數(shù)據(jù)寫入的測試首先通過中斷模擬匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的大小和速度，匯聚節(jié)點(diǎn)采樣速率為200Hz，即每5ms采集一次，每次數(shù)據(jù)大小最大為1024字節(jié)。首先需要STM32每5ms產(chǎn)生一個1024字節(jié)的數(shù)據(jù)包。3.1.1測試1：測試f_write的寫入速度測試目的：當(dāng)前工程使用的為SDIO的1線模式，其理論速度為2MB/s,理論上滿足數(shù)據(jù)的寫入速度，設(shè)計實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際的數(shù)據(jù)寫入是否滿足200Hz的要求。測試手段：在寫文件程序中，包括文件寫指針的尋址以及數(shù)據(jù)的寫入，每完成一個函數(shù)會控制一個LED燈的亮滅，通過示波器觀察其電平拉低的時間，即為每個函數(shù)所需要的耗時。測試代碼：for(write_count=0;write_count<4000;write_count++)2{3 GPIO_Write(GPIOC,0xfe);res=f_lseek(&fil,fil.fsize);GPIO_Write(GPIOC,0xff);GPIO_Write(GPIOC,0xfd);7res=fwrite(&fil,testBuffer,sizeof(testBuffer)-1,&br);8res=fsync(&fil);GPIO_Write(GPIOC,0xff);10}11f_close(&fil);觀察現(xiàn)象：通過示波器可以觀察到f_lseek耗時約為40us，f_write與f_sync的耗時共約為5ms，其速度不僅不符合工程要求，甚至也不符合其理論速度。經(jīng)過驗(yàn)證，f_write與f_sync耗時相當(dāng)，均約為2.7ms，僅計算f_write的寫入速度。另外，在寫入循環(huán)中，任意時間拔掉SD卡，在PC中對文本進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)在f_write后加入f_sync，并不會存在一個testBuffer僅有一部分被寫入的狀況，循環(huán)所寫入的數(shù)據(jù)均保存在文檔中可以顯示，不存在亂碼。可以看出，原本設(shè)置為4000次的有限循環(huán)，在中間任意時刻拔出后，可以觀察到其中47次有效寫入，如圖3.1(a)所示?！箃estl.txt-記事本Thisisthevirtualwritin呂datatest」testl.txt-記事本Thisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂t巳mtforThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtu也1writingH日t；mtestforThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂test.forThisisthevirtualwritin呂datatest.forThisisthevirtu也1writingH日t；mtestforThisisthmvirtu辺1writingdat；atEEtforThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂test.forThisisthevirtualwritin呂datatest.forThisisthevirtu畀writingH日t；oitest-forThisisthmvirtu辺1writingdat；atEEtforThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂test.forThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisthmvirtu辺1writingdatcitEBtforThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writiri呂test.forThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂t巳mtforThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisth巳virtu辿1writiri呂test.forThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtualwritin呂datatestforThisisth巳virtu辿1writin呂test.forThisisthevirtualwritin呂datatest.forThisisthevirtu也1writingH日t；mtestforThisisthevirtualwritingdatatest.forThisisthevirtualwritingdatatestforThisisth巳virtu辿1writingtest.forThisisthevirtualwrit（a）tatest.forThisisthevirtu畀writingH日t；oitest-forThisisthmvirtu辺1writingdat；atEEtforThisisthevirtualwritin呂datatestfor」testl.txt-記事本文件(F)褊輯(E)梧式(O)童看(V)幫助(H)timestilTL巳日tiir舊日tiir舊日tiir舊日tiir舊日tilTL巳日tiir舊日tiir舊日timR日tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tim已日timR日tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tiir舊日tiiTL已曰tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tiir舊日tiiR巳日tiir舊日tiir舊日tiir舊日tiir舊日tiiR巳日timestim已日timR日文件舊精(E)梧式(O)查看(V)幫助(H〕■EM； F：\K小： 0拜哲學(xué)閏：0拜■已用蘭閏： 516,096可用蘭閏： 495,288,32。字十客號： 495,804,416手十驅(qū)動器F:(b)殲圖13.1SD卡文件寫入狀況504KB472MB472MB但是如果將f_write之后的f_sync注釋掉，在循環(huán)中任意時間拔掉SD卡，在PC中對文本進(jìn)行觀察，則可以發(fā)現(xiàn)文本中并沒有已經(jīng)完成的寫操作的數(shù)據(jù)，為空文本，也不存在亂碼現(xiàn)象，文本占用空間為0，但是，查詢SD卡的屬性可以發(fā)現(xiàn)有空間被占用，如圖3.1(b)所示。解決辦法：從以上分析可知，如果需要加入f_sync斷電保護(hù)的這個函數(shù)，則一次寫操作需要5.5ms,但是其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。因此，擬采用SDIO的4線模式對SD卡進(jìn)行讀寫操作來大大提高其讀寫速度。3.1.2測試2：FATFS工程SDIO的4線模式修改整個SD卡的初始化過程基本分為三大步：可以參見main.c中的C124的SD_USER_Init:第一步：SDIO外設(shè)的初始化以及SD卡本身的上電。第二步：獲取SD卡的信息。第三步：設(shè)置SD卡的總線寬度。第四部：設(shè)置DMA的工作模式。使用官方庫的SDIO和sdcard進(jìn)行移植和設(shè)置4線模式之后，SD卡并不能有效的初始化，errorstatus會返回SD_START_BIT_ERR的錯誤信息，但是，很明顯SDIO是支持4線模式的。因此需要對官方庫進(jìn)行修改。從目前調(diào)試的結(jié)果來看，主要問題出現(xiàn)在SD卡上電初始化存在問題，另外則是時鐘頻率設(shè)置的問題。接下來將針對SDIO的4

線模式對官方固件庫進(jìn)行修改。第一個問題首先出現(xiàn)在SD卡的上電初始化過程中。描述：本工程中將所有的初始化過程都放在了disk_initialize(0)(main.c->C68)這個函數(shù)中，此函數(shù)的主要功能為初始化SD硬件。其中的功能包括對SD卡基本功能的設(shè)置函數(shù)：SD_USER_Init()(main.c->C124(由于此函數(shù)需要用戶自定義，所以放在了main.c中進(jìn)行了定義)以及初始化信息的返回。SD_USER_Init函數(shù)第一步便是對SD卡的初始化：SD_Init(main.c->C129)此函數(shù)的詳解可見于其定義處(sdcard.c>C129)。其中包括對GPIO,SDIO以及DMA時鐘的配置，以及對SDIO外設(shè)寄存器的默認(rèn)設(shè)置(SDIO_Deinit->C142)。完成以上設(shè)置，接下來進(jìn)入：SD_PowerON(sdcard.c->C181)也就是SD卡的上電步驟。在這個步驟中首先要注意此函數(shù)僅是為了配置SD卡，因此僅需要一根線，而且時鐘頻率也只需設(shè)置為400kHz，所以并不需要在此步設(shè)置4線模式。6.4.1PowerUpSupplyvnltngcinujalizauonseduenIniljalizalidnMe也頁Themaximumof1msec.西clockcyclesandsupdyrampuplimeCMoe*蔦;匚Vabdvdiagcfor

allcwiwuflndtninecotvalueforACMD4H在SD_PowerON中存在一處修改，從SD卡協(xié)議中6.4.1PowerUpSupplyvnltngcinujalizauonseduenIniljalizalidnMe也頁Themaximumof1msec.西clockcyclesandsupdyrampuplimeCMoe*蔦;匚Vabdvdiagcfor

allcwiwuflndtninecotvalueforACMD4HOptwal o1ACMD41uniilridcardsare陽申口ndingwthbusyBil泅Inaire.iR.ll■IPn-iuaraiinAiisnrsim圖3.1上電流程圖SD_InitializeCards函數(shù)主要發(fā)送CMD2和CMD3，獲得CID寄存器內(nèi)容和SD卡的相對地址(RCA),并通過CMD9，獲取CSD寄存器內(nèi)容。到這里，實(shí)際上SD卡的初始化就已經(jīng)完成了。SD_Init函數(shù)又通過調(diào)用SD_GetCardInfo函數(shù)，獲取SD卡相關(guān)信息，之后調(diào)用SD_SelectDeselect函數(shù)，選擇要操作的卡(CMD7+RCA)，通過SD_EnableWideBusOperation函數(shù)設(shè)置SDIO的數(shù)據(jù)位寬為4位(但MMC卡只能支持1位模式)。經(jīng)過此修改，初始化通過，并且獲取卡的類型。上電部分的其它函數(shù)則參照以下流程圖：CMMVarZCOorkaterHighCspacrtySDMcrnoryCardVeri.OQcrlaterStandardCapacfty-百DMernory器品p,Unij5s?blcCardCardIsready'J川切赳CommandIComm;VCfUCSlaicftaM匚EDh怕rnciry亡日nd(READpCR)LNmSDMemoryCaQNdUjrdakM-fIcurujCMDS3:Nd怕M昨rCMMVarZCOorkaterHighCspacrtySDMcrnoryCardVeri.OQcrlaterStandardCapacfty-百DMernory器品p,Unij5s?blcCardCardIsready'J川切赳CommandIComm;VCfUCSlaicftaM匚EDh怕rnciry亡日nd(READpCR)LNmSDMemoryCaQNdUjrdakM-fIcurujCMDS3:Nd怕M昨r如sendCMOsa.Though謁i*FsectffiinwJfidtoba如AinwdtrLaoilD*wsupporlud丫口口尸rangocdUic-cand.Gards型ithnon[:oripM比kt^lageFigure7-2：SPIModeInitializationFlowGa*dretumsresponsewithcullie滬Icz&miTiMrdf1期日門.XED和ei?i>CardItx曲￡DM日nr^ryCE『dG日rdretum&'in」dlj5talc=0'廠Card期thcwn|■"0加口日陽1iNorrtcmpotit｝止volfiagcrangeordiccKpa7i)cmerrorQa-mpatblsvctiBgerangeanddncchperflemisccmtdcI「Ver宜.DOorlater、幺￡?rvtenpivCa「u丿Gardswvithnonccrrpotiblc⑷tagurangeCMD5H(FEADOCR)CardrelumeInidBEtste-IUnusinble-0也CardreLumsinK3baisie=Dtfhostsuppoftshighrapadty.HC3issetBo1CardreliJiTE!inidk;_s^atc,=1ACIUD41IwHhHCS-CJof1CMD5&iGetCCS)AC^lCMl(argumentOwD)CWDO*陰Asserted[暫)第二個問題出現(xiàn)在CMD55沒有足夠的處理時間以導(dǎo)致程序會進(jìn)入一個死循環(huán)。由于修改時鐘頻率帶來的錯誤。最開始配置SDIO時，其頻率并不能設(shè)置為25MHz，而是應(yīng)為400kHz,1線模式。初始化完成之后才應(yīng)將時鐘頻率提高至25MHz。另外，時鐘速度最高為25MHz，高于此速度會導(dǎo)致SDIO傳輸不可用。SD_EnableWideBusOperation(sdcard.cC655)則是設(shè)置SDIO讀寫時鐘頻率以及4線模式的函數(shù)。在C672-688中間是對SDIO傳輸模式的設(shè)置。但是在官方的驅(qū)動中，程序會卡在SDEnWideBus(sdcard.cC674)中的FindSCR(sdcard.cC2440)中的C2764處，無法繼續(xù)進(jìn)行。此錯誤主要是因?yàn)樵诖撕瘮?shù)的C2744處沒有給予足夠的時間處理命令，需要加一段時間的延時（C2746-2747）。另外添加了C2770-2771兩行代碼以保證最后可以跳出該循環(huán)。第三個問題出現(xiàn)在SDIO的時鐘速率上。初始化的最后會設(shè)置SDIO_CK時鐘的頻率，并設(shè)置工作模式（DMA/輪詢）。在DMA模式中，如果只讀，可以設(shè)置SDIO_CK的時鐘為24Mhz，而如果要讀寫的話，這個時鐘設(shè)置為18M左右比較合適，否則出錯的幾率比較大，雖然我們的代碼加入了防出錯處理，不過這樣會降低寫入效率。而輪詢模式，則必須設(shè)置SDIO_CK時鐘頻率不大于18Mhz，否則不能正常讀寫。以上問題解決后，SDIO可以用4線模式傳輸數(shù)據(jù)（DO?D3均有數(shù)據(jù)傳輸），而且較為穩(wěn)定，但是速度仍然受限為500kB/s。并且無論將時鐘分頻為24,18或14MHz，