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【吐血总结】文件系统的基本知识和使用方法

猎芯头条 · 公众号 · · 2018-08-20 07:56

正文

本应用笔记介绍了 RT-Thread 文件系统的基本知识和使用方法，帮助开发者更好地使用 RT-Thread 文件系统。并给出了在正点原子 STM32F429-apollo 开发板上验证的代码示例。

本文的目的和结构

本文的目的和背景

第一次接触 RT-Thread 文件系统的开发者可能觉得 RT-Thread 文件系统过于复杂，不知道该从何入手。想要在项目中使用文件系统，却不知道该怎么做。产生这种印象的原因是对 RT-Thread DFS 框架没有足够的了解，如果理解了 DFS 框架，在使用 RT-Thread 文件系统时就可以得心应手了。

为了能让开发者清楚地理解 RT-Thread DFS 框架的概念，学会使用 RT-Thread 文件系统。本应用笔记将一步步深入介绍 RT-Thread DFS 框架的相关知识以及实现原理。通过演示 shell 命令和使用示例的方式来操作文件系统，让开发者能够学会 RT-Thread 文件系统的使用方法。

本文的结构

本应用笔记将从以下三个方面来介绍 RT-Thread 文件系统：

RT-Thread DFS 框架
RT-Thread 文件系统的移植
RT-Thread 文件系统的使用

问题阐述

本应用笔记将围绕下面几个问题来介绍RT-Thread 文件系统。

如何移植各种类型的文件系统？
如何对文件系统进行操作？
如何在文件系统中对文件和文件夹进行操作？

想要解决这些问题，就要了解 RT-Thread DFS 框架。下面我们就通过 DFS 框架一步一步地将文件系统使用起来。

问题的解决

DFS 框架介绍

RT-Thread 的文件系统采用了三层结构，这种结构就是 RT-Thread DFS 框架。

下图为 RT-Thread 文件系统结构图 ：

DFS 框架的最顶层是一套面向嵌入式系统，专门优化过的设备虚拟文件系统 POSIX 文件接口，中间层是各种文件系统的实现，最底层是各类存储设备驱动。

DFS 框架的来源

RT-Thread 为了能够支持各种文件系统，设计了这样一个 DFS 框架，各个层次独立实现，提高了操作系统的可扩展性。使用 DFS 框架可以使得各种文件系统经过简单的修改即可匹配到这个框架上，降低了文件系统移植难度，让开发者有更多的文件系统类型可供选择。

DFS 框架各层次说明

顶层：POSIX 文件接口层

这一层是给开发者使用的接口函数层，开发者使用这一层提供的 POSIX 文件接口进行文件的相关操作，不用关心文件系统是如何实现的，也不用关心数据是存放在哪个存储器中。

中间层：文件系统实现层

中间层是各种具体文件系统的实现，这里所说文件系统指各种不同类型的文件系统，比如 ELM FatFS、RomFS、devfs、Yaffs2、Uffs2 等。需要知道的是，不同的文件系统类型是独立于存储设备驱动而实现的。因此，想要正确地使用这些文件系统，需要把底层存储设备的驱动接口和文件系统对接起来。

底层：存储设备驱动层

这一层是存储设备驱动层，具体的功能是初始化存储设备并向上层提供存储设备的驱动接口。存储设备的类型可能是 SPI Flash ， SD卡 等。

文件系统的移植

本次演示使用正点原子开发板 STM32F429-Apollo ，选择的文件系统类型是 elm FatFS 。由于 RT-Thread 自带了这个文件系统，所以移植工作较为简单，只需要通过 env 工具对系统进行合适的配置既可。其他 RT-Thread 支持的文件系统，移植过程也是类似的，只需要对系统进行合适的配置即可使用。

准备工程

下载 RT-Thread 源码。
env 工具

移植过程介绍

文件系统的移植主要包括下面几个方面：

开启/配置 DFS 框架
开启/配置指定的文件系统
确保开发板上的存储设备驱动正常工作

通过 env 工具可以方便地开启文件系统，将所需的文件系统类型添加到工程中。

对存储设备进行功能测试，可以确保存储设备驱动是正常工作的。驱动程序的稳定工作是文件系统正常使用的基础。

文件系统的配置

使用 env 工具进入 rt-thread\bsp\stm32f429-apollo 目录，在命令行中输入 menuconfig 命令进入配置界面。

在 menuconfig 配置界面依次选择 RT-Thread Components → Device virtual file system ，如下图所示：

下面介绍 DFS 的配置项：

Using device virtual file system ：使用设备虚拟文件系统，即 RT-Thread 文件系统。
Using working directory : 打开这个选项，在 finsh/msh 中就可以使用基于当前工作目录的相对路径。
The maximal number of mounted file system ：最大挂载文件系统的数量。
The maximal number of file system type ：最大支持文件系统类型的数量。
The maximal number of opened files ：打开文件的最大数量。
Enable elm-chan fatfs ：使用 elm-chan FatFs。
elm-chan’s FatFs, Generic FAT Filesystem Module : elm-chan 文件系统的配置项。
Using devfs for device objects ：开启 devfs 文件系统。
Enable BSD socket operated by file system API ：使 BSD socket 可以使用文件系统的 API 来管理，比如读写操作和 select/poll 的 POSIX API 调用。
Enable ReadOnly file system on flash ：在 Flash 上使用只读文件系统。
Enable RAM file system ：使用 RAM 文件系统。
Enable UFFS file system: Ultra-low-cost Flash File System ：使用 UFFS。
Enable JFFS2 file system : 使用 JFFS2 文件系统。
Using NFS v3 client file system ：使用 NFS 文件系统。

进入到 DFS 的配置界面，开启下图所示的选项，就可以将 FatFS 添加到系统中。如图所示：

这里需要注意的是还需要进入到 elm-chan's FatFs, Generic FAT Filesystem Module 选项中修改关于长文件名支持的选项，否则在后面使用文件系统的过程中，创建的文件或者文件夹的名称不能超过 8 个字符。修改方式如下图所示：
因为要使用一些 C 库函数，所以需要打开 libc 功能：

保存选项后即可退出，此时 elm FatFS 已经添加到项目中。

存储设备初始化

开启 SPI 设备驱动

DFS 框架的文件系统实现层需要存储设备驱动层提供驱动接口用于对接，本次使用的存储设备为 SPI Flash ，底层设备初始化过程可以参考《SPI 设备应用笔记》。
重新打开 menuconfig 配置界面，在 RT-Thread Components → Device Drivers 界面中选中 Using SPI Bus/Device device drivers 以及 Using Serial Flash Universal Driver 选项，如下图所示：

为了方便地使用 shell 命令，我们在 RT-Thread Components → Command shell 选项中开启 Using module shell 选项，如下图所示：

保存选项并退出，在 env 中输入命令 scons --target=mdk5 -s 生成 mdk5 工程，编译并下载程序。

检查存储设备驱动

在 stm32f429-apollo 开发板上 SPI Flash 挂在了 SPI5 总线上，对应的 SPI Device 的设备名为 spi50 。在终端输入 list_device 命令可以看到名为 spi50 的设备类型为 SPI Device ，就说明 SPI 设备添加成功。如果没有出现相应的设备，则需要检查驱动程序，查找错误。

为了确保该驱动工作正常，可以使用 sf 命令对该设备做 benchmark 测试。该功能由 sfud 组件提供，可以通过检查存储设备的读、写和擦除功能来判断存储设备的驱动程序是否正常。如果像下图一样提示成功，所示则认为该驱动工作正常。如果无法通过测试，则需要检查驱动程序，使用逻辑分析仪对存储设备的接口波形进行分析。测试过程如下图：

创建存储设备

由于只有块设备类型的设备才能和文件系统对接，所以需要根据 SPI Device 找到 SPI Flash 设备，并创建与其对应的 Block Device 。
这里需要使用到万能 SPI Flash 驱动库：SFUD ，RT-Thread 已经集成了该组件，在上面的配置过程中我们已经开启这个功能。此时只需要使用 SFUD 提供的 rt_sfud_flash_probe 函数即可。该函数将执行如下操作：

根据名为 spi50 的 SPI Device 设备找到对应的 Flash 存储设备。
初始化 Flash 设备。
在 Flash 存储设备上创建名为 W25Q256 的 Block Device 。

如果开启了组件自动初始化功能，该函数会被自动执行，否则需要手动调用运行。

static int rt_hw_spi_flash_with_sfud_init(void)
{    if (RT_NULL == rt_sfud_flash_probe("W25Q256", "spi50"))
    {        return RT_ERROR;
    };    return RT_EOK;
}
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_spi_flash_with_sfud_init)

在终端输入 list_device 命令如果看到名为 W25Q256 的设备类型为 Block Device ，这说明块设备已经创建成功，如果失败则需要对 spi50 设备进行检查。

如下图所示：
获得可以用于挂载的块类型设备，那么移植的工作就算完成了。

文件系统的使用

文件系统的初始化

RT-Thread 文件系统初始化过程一般按以下流程来进行：

初始化 DFS 框架
初始化具体文件系统
初始化存储设备

下面我们按照这样的顺序来逐步讲解文件系统的初始化过程：

DFS 框架的初始化

DFS 框架的初始化主要是对内部数据结构以及资源的初始化。这一过程包括初始化文件系统必须的数据表，以及互斥锁。该功能由如下函数完成。如果开启了组件自动初始化功能，该函数会被自动执行，否则需要手动调用运行。

中间层文件系统的初始化

这一步的初始化主要是将 elm FatFS 的操作函数注册到 DFS 框架中。该功能由如下函数完成。如果开启了组件自动初始化功能，该函数会被自动执行，否则需要手动调用运行。

存储设备的初始化

存储设备的初始化可以参考《创建存储设备》章节。

创建文件系统

第一次使用 SPI Flash 作为文件系统地存储设备时，如果我们直接重启开发板来挂载文件系统，就会看到 spi flash mount to /spi failed! 的提示。这是因为此时在 SPI Flash 中还没有创建相应类型的文件系统，这就用到了创建文件系统 shell 命令： mkfs 。
mkfs 命令的功能是在指定的存储设备上创建指定类型的文件系统。使用格式为： mkfs [-t type] device 。第一次挂载文件系统前需要使用 mkfs 命令在存储设备上创建相应的文件系统，否则就会挂载失败。如果要在 W25Q256 设备上创建 elm 类型的文件系统，就可以使用 mkfs -t elm W25Q256 命令，使用方法如下图：

文件系统创建完成后需要重启设备。

文件系统的挂载

文件系统的挂载指的是将文件系统和具体的存储设备关联起来，并挂载到某个挂载点，这个挂载点即为这个文件系统的根目录。在下面的示例中，我们将 elm FatFS 文件系统和名为 W25Q256 的存储设备关联起来，并且挂载到 /spi 文件夹中。（这里可以挂载到 /spi 文件夹的原因是 stm32f429-apollo BSP 的文件系统根目录已经挂载了 RomFS ，并且已经创建了 /spi 文件夹。如果没有特殊情况，文件系统可以直接挂载到根目录 / 上。）