1.1 簡介
隨着信息技術的發展，當今社會的信息量越來越大，以往由單片機構成的系統簡單地對
存儲媒介按地址、按字節的讀／寫已經不能滿足人們實際應用的需要，於是利用文件系統對
存儲媒介進行管理成了今后單片機系統的一個發展方向。目前常用的文件系統主要有微軟的
FATl2、FATl6、FAT32、NTFS 以及Linux 系統下的EXT2 和EXT3 等。由於微軟Windows
的廣泛應用，在當前的消費類電子產品中，用得最多的還是FAT 文件系統，如U 盤、MP3、
MP4 和數碼相機等，所以找到一款容易移植和使用、占用硬件資源相對較小而功能又強大
的FAT 開源文件系統，對於單片機系統設計者來說是很重要的。
FatFs Module 是一種完全免費開源的FAT 文件系統模塊，專門為小型的嵌入式系統而
設計。它完全用標准C 語言編寫，且完全獨立於I/O 層，可以移植到 8051、PIC、AVR、SH、
Z80、H8 和ARM 等系列單片機上且只需做簡單的修改。它支持FATl2、FATl6 和FAT32，
支持多個存儲媒介，有獨立的緩沖區，可以對多個文件進行讀／寫。
FatFs Module 有個簡化版本Tiny-FatFs，它跟完全版FatFs 不同之處主要有兩點：
(1) 占用內存更少，只要1 KB RAM；
(2) 1 次僅支持 1 個存儲介質。
完全版FatFs 和Tiny-FatFs 的用法一樣，僅僅是包含不同的頭文件，本文主要以完全版
講解FatFs 的使用。
1.2 特性
（1）Windows 兼容的FAT 文件系統；
（2）平台無關，容易移植；
（3）代碼量小；
（4）多種配置選項：
支持多卷（物理驅動器或分區）；
多個ANSI/OEM 代碼頁包括DBCS；
支持長文件名，ANSI/OEM 或Unicode；
支持RTOS；
支持多種扇區大小；
只讀、最小化的API 和I/O 緩沖區等。
1.3 應用
FatFs Module 一開始就是為了能在不同的單片機上使用而設計的，所以具有良好的層次
結構，如圖 1.1 所示。
最頂層是應用層，使用者無需理會FatFs Module 的內部結構和復雜的FAT 協議，只需
要調用FatFs Module 提供給用戶的一系列應用接口函數，如f_open，f_read，f_write 和 f_close
等，就可以像在PC 上讀／寫文件那樣簡單。
中間層FatFs Module 實現了FAT 文件讀／寫協議。FatFs Module 的完全版提供的是ff.c、
ff.h，簡化版Tiny-FatFs 提供的是tff.c、tff.h 。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時將
需要版本的頭文件直接包含進去即可。
需要使用者編寫移植代碼的是FatFs Module 提供的底層接口，它包括存儲媒介讀／寫
接口Disk I/O 和供給文件創建修改時間的實時時鍾。
本文講解時移植硬件平台為ZLG 公司的SmartCortexM3-1700 和普通U 盤。LPC1768
是一款32 位 Cortex-M3 內核的單片機，具有多達64 KB 的SRAM、512 KB 的內部Flash 和
豐富的外設。軟件平台是Keil 集成開發環境。
1.3.1 FatFs 軟件包中相關文件
1． 平台無關
（1）ffconf.h FatFs 模塊配置文件
（2）ff.h FatFs 和應用模塊公用的包含文件
（3）ff.c FatFs 模塊
（4）diskio.h FatFs and disk I/O 模塊公用的包含文件
（5）integer.h 數據類型定義
（6）option 可選的外部功能
2． 平台相關（不屬於 FatFs 需要由用戶提供）
（1）diskio.c FatFs 與disk I/O 模塊接口層文件
1.3.2 FatFs 應用范圍
支持FAT12、FAT16 和FAT32；
可打開的文件：無限制，依賴於有效的存儲器；
支持最多 10 個卷；
文件大小：與FAT 類型有關(upto 4G-1 bytes)；
卷大小：與FAT 類型有關(upto 2T bytes on 512 bytes/sector)；
簇大小：與FAT 類型有關(upto 64K bytes on 512 bytes/sector)；
扇區大小：與FAT 類型有關(upto 4K bytes)。
FatFs 模塊在移植時需先注意以下兩點：
•ANSI C
FatFs 模塊是用ANSI C 編寫的中間件，只要編譯器遵循ANSI C，它都是平台無關的。
•整型大小
FatFs 假定 char/short/long 的長度為8/16/32 位，而int 為 16 位或 32 位，這些相應的定
義位於integer.h 文件。這在大多數的編譯器上都不會是問題，但是當與預定義的內容發生沖
突時，需要用戶注意。
1.3.3 FatFs 配置
文件系統的配置項都在ffconf.h 文件之中。
(1) _FS_TINY ：這個選項在R0.07 版本之中開始出現，在之前的版本都是以獨立的C
文件出現，現在通過一個宏來修改使用起來更方便；決定在文件數據傳輸中使用哪種扇區緩沖區
(2) _FS_MINIMIZE、_FS_READONLY、_USE_STRFUNC、_USE_MKFS、
_USE_FORWARD 這些宏是用來對文件系統進行裁剪的，下面的 1.3.4 小節中有詳細介紹；
(3) _CODE_PAGE ：本選項用於設置語言碼的類型，對應的字庫可以在網上下載
(4) _USE_LFN ：取值為0~3，主要用於長文件名的支持及緩沖區的動態分配：
0：不支持長文件名；
1：支持長文件名存儲的靜態分配，一般是存儲在BSS 段；
2：支持長文件名存儲的動態分配，存儲在棧上；
3：支持長文件名存儲的動態分配，存儲在堆上。
(5) _MAX_LFN ：可存儲長文件的最大長度，其值一般為（12~255），但是緩沖區一
般占(_MAX_LFN + 1) * 2 bytes；
(6) _LFN_UNICODE ：為1 時才支持unicode 碼；
(7) _FS_RPATH ：R0.08a 版本改動配置項，取值范圍0~2：
0：去除相對路徑支持和函數；
1：開啟相對路徑並且開啟f_chdrive()和 f_chdir()兩個函數；
2：在1 的基礎上添加f_getcwd()函數。
(8) _VOLUMES ：支持的邏輯設備數目；
(9) _MAX_SS ：扇區緩沖的最大值，其值一般為512；
(10) _MULTI_PARTITION ：定義為1 時，支持磁盤多個分區；
(11) _USE_ERASE ：R0.08a 新加入的配置項，設置為 1 時，支持扇區擦除；
(12) _WORD_ACCESS ：如果定義為1，則可以使用word 訪問；
(13) _FS_REENTRANT ：定義為1 時，文件系統支持重入，但是需要加上跟操作系統
信號量相關的幾個函數，函數在 syscall.c 文件中；
(14) _FS_SHARE ：文件支持的共享數目。
FatFs 只要求提供FatFs 模塊所必需的底層磁盤I/O 函數，如果存在一個可工作的目標磁
盤模塊，你僅需將編寫的新函數附加到FatFs 模塊上，如果沒有，則需要提供其它磁盤模塊
或者從頭編寫底層驅動。FatFs 中所有定義的函數並不總是必需的，例如，在只讀配置模式
下，磁盤寫函數是不需要的。表 1.1 顯示了FatFs 的函數需要依賴於配置選項。
1.3.4 FatFs API 函數選擇
通過配置選項對API 函數進行選擇（剪裁）以減小模塊代碼大小
1.3.5 路徑名格式
FatFs 模塊上使用的路徑名格式類似於DOS/Windows 下的文件名，格式如下：
"[drive#:][/]directory/file"
FatFs 模塊支持長文件名 （LFN）和DOS 8.3 文件名 （SFN）。當使能LFN 特性時 (_USE
_LFN > 0)，可以使用長文件名，子目錄用‘\ ’或者‘/ ’隔開，這與DOS/Windows API 函
數接口是相同的方式，不同的是邏輯驅動器用數字帶一個冒號來指定的。當一個驅動器號被
忽略時，默認為驅動器0 或者當前驅動器。控制字符（\0~\x1F ）被認為是路徑名的末尾。
首位或中間嵌入的空格是合法的，當配置為LFN 時被看作是名字的一部分，配置為非LFN
時被視為路徑名的末尾。空格和點號被忽略。
默認配置下（_FS_RPATH == 0 ），FatFs 沒有一個像操作系統面向文件系統的當前目錄
的概念。卷上的所有對象總是以根目錄下的完整路徑名來指定，不允許點目錄名。標題分隔
符’/’被忽略，它可以存在或省略，默然的驅動器號為0。
當使能相對路徑時（_FS_RPATH == 1 ），如果存在標題分隔符，指定的路徑是指相對
於根目錄，如果沒有標題分隔符，指定目錄是指相對於用f_chdir 函數設置的當前目錄，路
徑名中允許使用點名稱。默認的驅動器是用 f_chdrive 函數設定的當前驅動器。
1.3.6 關於長文件名
FatFs 從0.07 版本開始支持長文件名（LFN）。在調用文件函數時，一個文件的兩個文
件名（SFN 與LFN）是通用的，除了f_readdir 函數。支持長文件特性將需要一個額外的工
作緩沖區，此緩沖區的大小可以通過設置_MAX_LFN 來以可用的內存大小相符。因為長文
件名可長達255 個字符，因此_MAX_LFN 應該設置為255 來支持全特性的LFN 選項。當工
作緩沖區的大小容不下給出的文件名時文件函數就會因為FR_INVALID_NAME 而調用失
敗。
當使能LFN，模塊增加的大小由編碼頁（Code Page）類型決定。日語、中文與韓國語擁有成千上萬的字詞，因
需要一個巨大的OEM-Unicode 雙向轉換表，模塊的大小將大大的增大。
注：FAT 文件系統的LFN 特性是微軟公司的專利。當在商用產品上使用時，根據最終目的的不同可
能需要獲得微軟的許可證。
1.3.7 重入
對不同卷的文件操作總是可以同時地工作，而與重入設置無關。而對於同一個卷的重入
訪問可以通過使能_FS_REENTRANT 選項。此時，在 ff.c 中的與平台相關的鎖定函數必須
為每個RTOS 重新編寫。如果一個文件函數調用時其訪問的卷正被另一個線程使用，則此
訪問將阻塞直到該卷解鎖。如果等待時間超過了_TIMEOUT 毫秒，則函數將因FR_TIMEOUT
而終止。某些RTOS 可能不支持超時操作。
f_mount 與f_mkfs 函數是個例外，這些函數對於同一個卷不會重入。當使用這些函數時，
其它線程必須關閉此卷中相應的文件，避免對此卷的訪問。
注意此部分描述的是FatFs 自身的重入，與底層磁盤I/O 的重入無關。
1.3.8 執行有效的文件訪問
為了在小型的嵌入式系統中得到優秀的讀寫效率，應用程序程序員需要可考慮FatFs 究
竟做了什么。磁盤中的數據是通過下面的方式來被f_read 函數傳送。
文件I/O 緩沖區（file I/O buffer）表示一個將被讀/寫數據的扇區的緩沖區。扇區緩沖區
可以是每個文件對象私有的，或者是文件系統共享的，緩沖區配置選項_FS_TINY 決定在文
件數據傳輸中使用哪種扇區緩沖區。當選擇小緩沖區（1），數據內存的使用量將降低到每
個文件對象 512 字節。在這種情況下，FatFs 只使用一個扇區緩沖區來進行文件數據傳輸以
及FAT/ 目錄訪問。配置為小緩沖區的缺點是：每次文件數據傳輸時FAT 數據緩沖都會丟失
而必須從一個簇的邊界開始重新載入數據。不過從其體面的表現與少內存消耗這方面來考
慮，這對於多數的應用也是合適的。
使用扇區對齊的方式來進行讀寫訪問可以避免緩沖區數據傳輸，並且讀寫效率將被
提升。除了效率以外，在tiny 配置的情況下FAT 快速緩存數據在文件數據傳輸時不會刷新，
所以可以用小內存消耗來達到非tiny 配置相同的性能。
1.3.9 臨界區
當對FAT 文件系統的寫操作由於意外而中斷，如突然斷電，不正確的磁盤移除或不可
恢復的磁盤錯誤，FAT 結構可能被毀壞。
1.3.10 FatFs 的其它特性和新進展
(1) 支持並發操作；
在多任務操作系統中，各個任務是並發的。當它們要同時訪問文件系統時，先要獲得同
步對象。比如在uCOS 中，可以采用互斥信號量來同步。在f_mount()時，創建同步對象，
在check_mount()和validate()函數調用時，先申請同步對象，若是其它任務在使用文件系統，
則在同步對象上等待。任務完成后，再釋放同步對象。這個功能與操作系統的任務同步特性
相關，以后如果要使用這個特性的話在詳細分析。
(2) 支持文件的共享打開（主要是多次以讀的方式打開）；
這是FatFs 作者在3 月份新上傳的R008 Rev1 版本里新增加的功能：在ffconf.h 中增加
了_FS_SHARE 共享數目定義。在 ff.h 增加了：文件共享信息結構體定義，並在文件系統結
構體中使用，在ff.c 中增加了5 個函數。
(3) 支持文件的快速定位；
內存中划一塊緩沖區用於存儲 文件的簇鏈映射圖，以方便查找簇鏈。稍微閱讀了以下
源代碼，其實現方法是這樣的：當給出參數 ofs == CREATE_LINKMAP 的時候，在tbl 所指
向的內存區域建立新的簇鏈映射。
表的第一項是整個映射表的長度，以后每兩項為一對：前者存儲相鄰簇的數目，后者存
儲相鄰簇的起始簇號。舉個例子，某個文件占據 5、6、7、8、15、16、17 共 7 個簇，則需
要兩對表項。分別是（4，5）和（3，15）兩項。以后就可以利用該簇鏈映射圖實現文件的
快速定位了，不用沿着簇鏈一項一項找下去，最后實現定位。
(4) 支持長文件名緩沖區的動態分配；
(5) 添加函數 f_getcwd()；
(6) 添加_USE_ERASE ；
將以前的 auto_mount()改成了現在的chk_mounted()添加部分功能使文件系統更適合多
邏輯設備數目。
1.3.11 程序移植
移植FatFs 主要分為三步：
(1) 數據類型：在integer.h 里面去定義好數據的類型。這里需要了解你用的編譯器的數
據類型，並根據編譯器定義好數據類型。
(2) 配置：打開 ffconf.h （我用的FatFs，不是Tiny，可以在此頭文件中進行定義），文
件系統的配置裁剪等均在此頭文件中進行定義配置。
(3) 函數編寫：打開diskio.c，進行底層驅動編寫，實際上需要編寫6 個接口函數，如
圖1.6 所示。
1.3.12 diskio.c函數編寫
1、disk_initialize
初始化磁盤驅動器
2、disk_status
返回當前磁盤驅動器的狀態
3、disk_read
從磁盤驅動器上讀取扇區
4、disk_write
向磁盤寫入一個或多個扇區
5、disk_ioctl
控制設備指定特性和除了讀/寫外的雜項功能
6、get_fattime
獲取當前時間
1.3.13 FatFS軟件包提供的API函數
1、f_mount:注冊/注銷一個工作區
2、f_open:打開/創建一個文件
3、f_close:關閉一個文件
4、f_read:讀文件
5、f_write:寫文件
6、f_lseek:移動讀/寫指針，擴展文件大小
7、f_truncate:截斷文件大小
8、f_sync:刷新緩沖區
9、f_opendir:打開一個目錄
10、f_readdir:讀取目錄
11、f_getfree:獲取空閑簇
12、f_stat:獲取文件狀態
13、f_mkdir:創建一個新目錄
14、f_unlink:刪除一個文件
15、f_chmod:改變一個文件或目錄的屬性
16、f_utime:改變一個文件或目錄的時間戳
17、f_rename:重命名一個對象
18、f_mkfs:格式化
19、f_forward:讀取文件數據轉移到數據流設備
20、f_chdir:改變驅動器的當前目錄
21、f_chdrive:改變當前驅動器
22、f_getcwd:檢索當前目錄
23、f_gets:從文件中讀取字符串
24、f_putc:從文件中寫一個字符
25、f_puts:往文件中寫一個字符串
26、f_printf:往文件中寫入格式化字符串