1.1 简介
随着信息技术的发展，当今社会的信息量越来越大，以往由单片机构成的系统简单地对
存储媒介按地址、按字节的读／写已经不能满足人们实际应用的需要，于是利用文件系统对
存储媒介进行管理成了今后单片机系统的一个发展方向。目前常用的文件系统主要有微软的
FATl2、FATl6、FAT32、NTFS 以及Linux 系统下的EXT2 和EXT3 等。由于微软Windows
的广泛应用，在当前的消费类电子产品中，用得最多的还是FAT 文件系统，如U 盘、MP3、
MP4 和数码相机等，所以找到一款容易移植和使用、占用硬件资源相对较小而功能又强大
的FAT 开源文件系统，对于单片机系统设计者来说是很重要的。
FatFs Module 是一种完全免费开源的FAT 文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而
设计。它完全用标准C 语言编写，且完全独立于I/O 层，可以移植到 8051、PIC、AVR、SH、
Z80、H8 和ARM 等系列单片机上且只需做简单的修改。它支持FATl2、FATl6 和FAT32，
支持多个存储媒介，有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读／写。
FatFs Module 有个简化版本Tiny-FatFs，它跟完全版FatFs 不同之处主要有两点：
(1) 占用内存更少，只要1 KB RAM；
(2) 1 次仅支持 1 个存储介质。
完全版FatFs 和Tiny-FatFs 的用法一样，仅仅是包含不同的头文件，本文主要以完全版
讲解FatFs 的使用。
1.2 特性
（1）Windows 兼容的FAT 文件系统；
（2）平台无关，容易移植；
（3）代码量小；
（4）多种配置选项：
支持多卷（物理驱动器或分区）；
多个ANSI/OEM 代码页包括DBCS；
支持长文件名，ANSI/OEM 或Unicode；
支持RTOS；
支持多种扇区大小；
只读、最小化的API 和I/O 缓冲区等。
1.3 应用
FatFs Module 一开始就是为了能在不同的单片机上使用而设计的，所以具有良好的层次
结构，如图 1.1 所示。
最顶层是应用层，使用者无需理会FatFs Module 的内部结构和复杂的FAT 协议，只需
要调用FatFs Module 提供给用户的一系列应用接口函数，如f_open，f_read，f_write 和 f_close
等，就可以像在PC 上读／写文件那样简单。
中间层FatFs Module 实现了FAT 文件读／写协议。FatFs Module 的完全版提供的是ff.c、
ff.h，简化版Tiny-FatFs 提供的是tff.c、tff.h 。除非有必要，使用者一般不用修改，使用时将
需要版本的头文件直接包含进去即可。
需要使用者编写移植代码的是FatFs Module 提供的底层接口，它包括存储媒介读／写
接口Disk I/O 和供给文件创建修改时间的实时时钟。
本文讲解时移植硬件平台为ZLG 公司的SmartCortexM3-1700 和普通U 盘。LPC1768
是一款32 位 Cortex-M3 内核的单片机，具有多达64 KB 的SRAM、512 KB 的内部Flash 和
丰富的外设。软件平台是Keil 集成开发环境。
1.3.1 FatFs 软件包中相关文件
1． 平台无关
（1）ffconf.h FatFs 模块配置文件
（2）ff.h FatFs 和应用模块公用的包含文件
（3）ff.c FatFs 模块
（4）diskio.h FatFs and disk I/O 模块公用的包含文件
（5）integer.h 数据类型定义
（6）option 可选的外部功能
2． 平台相关（不属于 FatFs 需要由用户提供）
（1）diskio.c FatFs 与disk I/O 模块接口层文件
1.3.2 FatFs 应用范围
支持FAT12、FAT16 和FAT32；
可打开的文件：无限制，依赖于有效的存储器；
支持最多 10 个卷；
文件大小：与FAT 类型有关(upto 4G-1 bytes)；
卷大小：与FAT 类型有关(upto 2T bytes on 512 bytes/sector)；
簇大小：与FAT 类型有关(upto 64K bytes on 512 bytes/sector)；
扇区大小：与FAT 类型有关(upto 4K bytes)。
FatFs 模块在移植时需先注意以下两点：
•ANSI C
FatFs 模块是用ANSI C 编写的中间件，只要编译器遵循ANSI C，它都是平台无关的。
•整型大小
FatFs 假定 char/short/long 的长度为8/16/32 位，而int 为 16 位或 32 位，这些相应的定
义位于integer.h 文件。这在大多数的编译器上都不会是问题，但是当与预定义的内容发生冲
突时，需要用户注意。
1.3.3 FatFs 配置
文件系统的配置项都在ffconf.h 文件之中。
(1) _FS_TINY ：这个选项在R0.07 版本之中开始出现，在之前的版本都是以独立的C
文件出现，现在通过一个宏来修改使用起来更方便；决定在文件数据传输中使用哪种扇区缓冲区
(2) _FS_MINIMIZE、_FS_READONLY、_USE_STRFUNC、_USE_MKFS、
_USE_FORWARD 这些宏是用来对文件系统进行裁剪的，下面的 1.3.4 小节中有详细介绍；
(3) _CODE_PAGE ：本选项用于设置语言码的类型，对应的字库可以在网上下载
(4) _USE_LFN ：取值为0~3，主要用于长文件名的支持及缓冲区的动态分配：
0：不支持长文件名；
1：支持长文件名存储的静态分配，一般是存储在BSS 段；
2：支持长文件名存储的动态分配，存储在栈上；
3：支持长文件名存储的动态分配，存储在堆上。
(5) _MAX_LFN ：可存储长文件的最大长度，其值一般为（12~255），但是缓冲区一
般占(_MAX_LFN + 1) * 2 bytes；
(6) _LFN_UNICODE ：为1 时才支持unicode 码；
(7) _FS_RPATH ：R0.08a 版本改动配置项，取值范围0~2：
0：去除相对路径支持和函数；
1：开启相对路径并且开启f_chdrive()和 f_chdir()两个函数；
2：在1 的基础上添加f_getcwd()函数。
(8) _VOLUMES ：支持的逻辑设备数目；
(9) _MAX_SS ：扇区缓冲的最大值，其值一般为512；
(10) _MULTI_PARTITION ：定义为1 时，支持磁盘多个分区；
(11) _USE_ERASE ：R0.08a 新加入的配置项，设置为 1 时，支持扇区擦除；
(12) _WORD_ACCESS ：如果定义为1，则可以使用word 访问；
(13) _FS_REENTRANT ：定义为1 时，文件系统支持重入，但是需要加上跟操作系统
信号量相关的几个函数，函数在 syscall.c 文件中；
(14) _FS_SHARE ：文件支持的共享数目。
FatFs 只要求提供FatFs 模块所必需的底层磁盘I/O 函数，如果存在一个可工作的目标磁
盘模块，你仅需将编写的新函数附加到FatFs 模块上，如果没有，则需要提供其它磁盘模块
或者从头编写底层驱动。FatFs 中所有定义的函数并不总是必需的，例如，在只读配置模式
下，磁盘写函数是不需要的。表 1.1 显示了FatFs 的函数需要依赖于配置选项。
1.3.4 FatFs API 函数选择
通过配置选项对API 函数进行选择（剪裁）以减小模块代码大小
1.3.5 路径名格式
FatFs 模块上使用的路径名格式类似于DOS/Windows 下的文件名，格式如下：
"[drive#:][/]directory/file"
FatFs 模块支持长文件名 （LFN）和DOS 8.3 文件名 （SFN）。当使能LFN 特性时 (_USE
_LFN > 0)，可以使用长文件名，子目录用‘\ ’或者‘/ ’隔开，这与DOS/Windows API 函
数接口是相同的方式，不同的是逻辑驱动器用数字带一个冒号来指定的。当一个驱动器号被
忽略时，默认为驱动器0 或者当前驱动器。控制字符（\0~\x1F ）被认为是路径名的末尾。
首位或中间嵌入的空格是合法的，当配置为LFN 时被看作是名字的一部分，配置为非LFN
时被视为路径名的末尾。空格和点号被忽略。
默认配置下（_FS_RPATH == 0 ），FatFs 没有一个像操作系统面向文件系统的当前目录
的概念。卷上的所有对象总是以根目录下的完整路径名来指定，不允许点目录名。标题分隔
符’/’被忽略，它可以存在或省略，默然的驱动器号为0。
当使能相对路径时（_FS_RPATH == 1 ），如果存在标题分隔符，指定的路径是指相对
于根目录，如果没有标题分隔符，指定目录是指相对于用f_chdir 函数设置的当前目录，路
径名中允许使用点名称。默认的驱动器是用 f_chdrive 函数设定的当前驱动器。
1.3.6 关于长文件名
FatFs 从0.07 版本开始支持长文件名（LFN）。在调用文件函数时，一个文件的两个文
件名（SFN 与LFN）是通用的，除了f_readdir 函数。支持长文件特性将需要一个额外的工
作缓冲区，此缓冲区的大小可以通过设置_MAX_LFN 来以可用的内存大小相符。因为长文
件名可长达255 个字符，因此_MAX_LFN 应该设置为255 来支持全特性的LFN 选项。当工
作缓冲区的大小容不下给出的文件名时文件函数就会因为FR_INVALID_NAME 而调用失
败。
当使能LFN，模块增加的大小由编码页（Code Page）类型决定。日语、中文与韩国语拥有成千上万的字词，因
需要一个巨大的OEM-Unicode 双向转换表，模块的大小将大大的增大。
注：FAT 文件系统的LFN 特性是微软公司的专利。当在商用产品上使用时，根据最终目的的不同可
能需要获得微软的许可证。
1.3.7 重入
对不同卷的文件操作总是可以同时地工作，而与重入设置无关。而对于同一个卷的重入
访问可以通过使能_FS_REENTRANT 选项。此时，在 ff.c 中的与平台相关的锁定函数必须
为每个RTOS 重新编写。如果一个文件函数调用时其访问的卷正被另一个线程使用，则此
访问将阻塞直到该卷解锁。如果等待时间超过了_TIMEOUT 毫秒，则函数将因FR_TIMEOUT
而终止。某些RTOS 可能不支持超时操作。
f_mount 与f_mkfs 函数是个例外，这些函数对于同一个卷不会重入。当使用这些函数时，
其它线程必须关闭此卷中相应的文件，避免对此卷的访问。
注意此部分描述的是FatFs 自身的重入，与底层磁盘I/O 的重入无关。
1.3.8 执行有效的文件访问
为了在小型的嵌入式系统中得到优秀的读写效率，应用程序程序员需要可考虑FatFs 究
竟做了什么。磁盘中的数据是通过下面的方式来被f_read 函数传送。
文件I/O 缓冲区（file I/O buffer）表示一个将被读/写数据的扇区的缓冲区。扇区缓冲区
可以是每个文件对象私有的，或者是文件系统共享的，缓冲区配置选项_FS_TINY 决定在文
件数据传输中使用哪种扇区缓冲区。当选择小缓冲区（1），数据内存的使用量将降低到每
个文件对象 512 字节。在这种情况下，FatFs 只使用一个扇区缓冲区来进行文件数据传输以
及FAT/ 目录访问。配置为小缓冲区的缺点是：每次文件数据传输时FAT 数据缓冲都会丢失
而必须从一个簇的边界开始重新载入数据。不过从其体面的表现与少内存消耗这方面来考
虑，这对于多数的应用也是合适的。
使用扇区对齐的方式来进行读写访问可以避免缓冲区数据传输，并且读写效率将被
提升。除了效率以外，在tiny 配置的情况下FAT 快速缓存数据在文件数据传输时不会刷新，
所以可以用小内存消耗来达到非tiny 配置相同的性能。
1.3.9 临界区
当对FAT 文件系统的写操作由于意外而中断，如突然断电，不正确的磁盘移除或不可
恢复的磁盘错误，FAT 结构可能被毁坏。
1.3.10 FatFs 的其它特性和新进展
(1) 支持并发操作；
在多任务操作系统中，各个任务是并发的。当它们要同时访问文件系统时，先要获得同
步对象。比如在uCOS 中，可以采用互斥信号量来同步。在f_mount()时，创建同步对象，
在check_mount()和validate()函数调用时，先申请同步对象，若是其它任务在使用文件系统，
则在同步对象上等待。任务完成后，再释放同步对象。这个功能与操作系统的任务同步特性
相关，以后如果要使用这个特性的话在详细分析。
(2) 支持文件的共享打开（主要是多次以读的方式打开）；
这是FatFs 作者在3 月份新上传的R008 Rev1 版本里新增加的功能：在ffconf.h 中增加
了_FS_SHARE 共享数目定义。在 ff.h 增加了：文件共享信息结构体定义，并在文件系统结
构体中使用，在ff.c 中增加了5 个函数。
(3) 支持文件的快速定位；
内存中划一块缓冲区用于存储 文件的簇链映射图，以方便查找簇链。稍微阅读了以下
源代码，其实现方法是这样的：当给出参数 ofs == CREATE_LINKMAP 的时候，在tbl 所指
向的内存区域建立新的簇链映射。
表的第一项是整个映射表的长度，以后每两项为一对：前者存储相邻簇的数目，后者存
储相邻簇的起始簇号。举个例子，某个文件占据 5、6、7、8、15、16、17 共 7 个簇，则需
要两对表项。分别是（4，5）和（3，15）两项。以后就可以利用该簇链映射图实现文件的
快速定位了，不用沿着簇链一项一项找下去，最后实现定位。
(4) 支持长文件名缓冲区的动态分配；
(5) 添加函数 f_getcwd()；
(6) 添加_USE_ERASE ；
将以前的 auto_mount()改成了现在的chk_mounted()添加部分功能使文件系统更适合多
逻辑设备数目。
1.3.11 程序移植
移植FatFs 主要分为三步：
(1) 数据类型：在integer.h 里面去定义好数据的类型。这里需要了解你用的编译器的数
据类型，并根据编译器定义好数据类型。
(2) 配置：打开 ffconf.h （我用的FatFs，不是Tiny，可以在此头文件中进行定义），文
件系统的配置裁剪等均在此头文件中进行定义配置。
(3) 函数编写：打开diskio.c，进行底层驱动编写，实际上需要编写6 个接口函数，如
图1.6 所示。
1.3.12 diskio.c函数编写
1、disk_initialize
初始化磁盘驱动器
2、disk_status
返回当前磁盘驱动器的状态
3、disk_read
从磁盘驱动器上读取扇区
4、disk_write
向磁盘写入一个或多个扇区
5、disk_ioctl
控制设备指定特性和除了读/写外的杂项功能
6、get_fattime
获取当前时间
1.3.13 FatFS软件包提供的API函数
1、f_mount:注册/注销一个工作区
2、f_open:打开/创建一个文件
3、f_close:关闭一个文件
4、f_read:读文件
5、f_write:写文件
6、f_lseek:移动读/写指针，扩展文件大小
7、f_truncate:截断文件大小
8、f_sync:刷新缓冲区
9、f_opendir:打开一个目录
10、f_readdir:读取目录
11、f_getfree:获取空闲簇
12、f_stat:获取文件状态
13、f_mkdir:创建一个新目录
14、f_unlink:删除一个文件
15、f_chmod:改变一个文件或目录的属性
16、f_utime:改变一个文件或目录的时间戳
17、f_rename:重命名一个对象
18、f_mkfs:格式化
19、f_forward:读取文件数据转移到数据流设备
20、f_chdir:改变驱动器的当前目录
21、f_chdrive:改变当前驱动器
22、f_getcwd:检索当前目录
23、f_gets:从文件中读取字符串
24、f_putc:从文件中写一个字符
25、f_puts:往文件中写一个字符串
26、f_printf:往文件中写入格式化字符串
