在 STM32L4 上应用 littlefs 文件系统

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2023-12-01

摘要

本文介绍了 littlefs 文件系统的基本知识和使用方法，帮助开发者更好地使用 littlefs 文件系统。并给出了基于 FAL 移植的代码示例。

littlefs 简介

littlefs 是 ARM 官方推出的，专为嵌入式系统设计的文件系统，相比传统的文件系统，littlefs 具有以下优点：

自带擦写均衡
支持掉电保护
占用的 RAM/ROM 少

littlefs 自带的擦写均衡和掉电保护使开发者可以放心的将文件系统挂载到 nor flash 上。

名词解释

在 RT-Thread 上使用 littlefs，会依赖一些软件包或者系统组件，下面会对这些需要用到的名词做出解释：

DFS 框架
DFS 框架是 RT-Thread 提供的虚拟文件系统组件，全称为 Device File System，即设备虚拟文件系统。DFS 框架为应用程序提供统一的 POSIX 文件和目录操作接口，如 read、write、poll/select 等。DFS 框架支持多种类型的文件系统，如 FatFS、RomFS、DevFS 等，并提供普通文件、设备文件、网络文件描述符的管理。
MTD 设备
MTD 设备，全称为 Memory Technology Device，使用 MTD 设备为 NOR FLASH 和 NAND FLASH 提供统一接口，将文件系统与底层 FLASH 存储器进行了隔离。
fal 组件
fal 全称为 Flash Abstraction Layer，即 Flash 抽象层，是对 Flash 及基于 Flash 的分区进行管理、操作的抽象层，对上层统一了 Flash 及分区操作的 API。并提供了将分区创建成 MTD 设备的 API。
SFUD 组件
SFUD 是一款开源的串行 SPI Flash 通用驱动库。现有市面的大部分串行 Flash，用户只需要提供 SPI 或 QSPI 的读写接口，SFUD 就可以识别并驱动。同时 RT-Thread 提供了 FAL 针对 SFUD 的驱动移植，可以使两个组件无缝连接。

层级关系

littlefs 在 RT-Thread 上运行的层级关系图如下所示：

hierarchical

开发者使用的是 DFS 框架提供的统一的 POSIX API,DFS 框架会调用 littlefs 的 API，littlefs 会使用 MTD 设备的读写接口，开发者可以使用 RT-Thread 提供的 fal 组件和 SFUD 组件来完成对 FLASH 的读写任务，也可以自己实现 MTD 设备的驱动程序，使 littlefs 可以挂载到更多的存储介质上。

littlefs 的移植

社区热心开发者 geniusgogo 为 RT-Thread 移植了 littlefs 的软件包，开发者只需要提供一个 MTD 设备即可使用 littlefs。开发者可以自己实现一个 MTD 设备，也可以利用 RT-Thread 提供的 fal 组件，非常方便的创建出一个 MTD 设备。相比于直接使用 flash 底层函数来自己构造一个 MTD 设备，使用 fal 创建 MTD 设备有以下三个优点：

创建 MTD 设备方便
驱动的可移植性和可重用性强
fal 的分区功能可以让 littlefs 只使用指定区域的 flash

fal 的详细介绍可以点击此处查看。

本次演示使用 stm32l475-atk-pandora，由于 RT-Thread 有 littlefs 软件包，所以移植工作较为简单。littlefs 的移植主要包括下面几个方面：

开启 / 配置 DFS 框架
为应用程序提供统一的 POSIX 文件和目录操作接口
使能 littlefs 软件包
使能 MTD 设备
默认不开启
使能 fal
用来创建 MTD 设备
使能外置 flash
会自动启用 SFUD
文件系统的物理载体
创建 MTD 设备
确保开发板上的存储设备驱动正常工作

使能DFS框架

在 BSP 目录 rt-thread\bsp\stm32\stm32l475-atk-pandora 下打开 env，输入 menuconfig，在 RT-Thread Components → Device virtual file system 中打开 DFS 框架。

dfs

配置 littlefs

在 RT-Thread online packages → system packages → Littlefs: A high-integrity embedded file system 中打开 littlefs。

littlefs

使能 MTD 设备

在 RT-Thread Components → Device Drivers 中使能 MTD 设备。

mtd_device

配置 fal

在 RT-Thread online packages → system packages → fal: Flash Abstraction Layer implement 中打开 fal。使能 FAL uses SFUD drivers，并修改 FLASH device name 为 W25Q128（SFUD 初始化 FLASH 后创建的设备名）。

fal

使能外置 FLASH

在 Hardware Drivers Config → Onboard Peripheral Drivers 中使能外置 flash。

flash

更新软件包并生成工程

设置完成后，退出配置界面，在 env 中输入 pkgs --update，env 会自动把需要用到的软件包下载下来。然后在 env 中输入 scons --target=mdk5，等待自动生成 mdk5 的工程。

检查分区表

打开工程中的 fal_cfg.h，检查宏 SPI_FLASH_PARTITION 是否如下所示：

#define SPI_FLASH_PARTITION     {FAL_PART_MAGIC_WROD, "filesystem", "W25Q128", 9 * 1024 * 1024, 16 * 1024 * 1024, 0},

默认的 filesystem 分区起始地址是 FLASH 零地址往后偏移 9MB，这是为了兼容 RT-Thread 提供的针对潘多拉开发板的一系列例程。如果开发者需要更大的分区，可以参考 fal 软件包的介绍自行修改，这里不再赘述。

创建 MTD 设备并挂载文件系统

fal 组件并没有加入自动初始化的代码，所以我们需要在 main 函数中初始化 fal，并使用 fal 提供的 API 来创建一个 MTD 设备。创建 MTD 设备后，就可以将 littlefs 挂载到刚刚生成的 MTD 设备上了。

在 main.c 文件中添加的代码如下所示:

...
/* 添加 fal 头文件 */
#include <fal.h>
/* 添加文件系统头文件 */
#include <dfs_fs.h>

/* 添加 DEBUG 头文件 */
#define DBG_SECTION_NAME               "main"
#define DBG_LEVEL                      DBG_INFO
#include <rtdbg.h>
/* 定义要使用的分区名字 */
#define FS_PARTITION_NAME              "filesystem"    

int main(void)
{
    ...
    struct rt_device *mtd_dev = RT_NULL;

    ...
    /* 初始化 fal */    
    fal_init();
    /* 生成 mtd 设备 */
    mtd_dev = fal_mtd_nor_device_create(FS_PARTITION_NAME);
    if (!mtd_dev)
    {
        LOG_E("Can't create a mtd device on '%s' partition.", FS_PARTITION_NAME);
    }
    else
    {
        /* 挂载 littlefs */
        if (dfs_mount(FS_PARTITION_NAME, "/", "lfs", 0, 0) == 0)
        {
            LOG_I("Filesystem initialized!");
        }
        else
        {
            /* 格式化文件系统 */
            dfs_mkfs("lfs", FS_PARTITION_NAME);
            /* 挂载 littlefs */
            if (dfs_mount("filesystem", "/", "lfs", 0, 0) == 0)
            {
                LOG_I("Filesystem initialized!");
            }
            else
            {
                LOG_E("Failed to initialize filesystem!");
            }
        }
    }

    while (1)
    {
        ...
    }

    return RT_EOK;
}

验证 fal 分区和 MTD 设备

移植工作已经完成，我们需要将代码下载到开发板，检查 fal 分区是否正常，MTD 设备是否创建成功，文件系统有没有挂载成功。将工程编译下载，查看系统启动时是否打印了 fal 分区、 MTD 设备创建成功和文件系统初始化成功的提示信息。

分区表的打印和 MTD 设备创建成功的提示信息如下所示：

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.0.1 build Mar 26 2019
 2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
[D/drv.qspi] qspi init succsee!
[SFUD] Find a Winbond flash chip. Size is 16777216 bytes.
[SFUD] W25Q128 flash device is initialize success.
[D/drv.qspi] qspi init succsee!
[D/FAL] (fal_flash_init:61) Flash device |                  W25Q128 | addr: 0x00000000 | len: 0x01000000 | blk_size: 0x00001000 |initialized finish.
[I/FAL] ==================== FAL partition table ====================
[I/FAL] | name       | flash_dev |   offset   |    length  |
[I/FAL] -------------------------------------------------------------
[I/FAL] | filesystem | W25Q128   | 0x00900000 | 0x01000000 |
[I/FAL] =============================================================
[I/FAL] RT-Thread Flash Abstraction Layer (V0.4.0) initialize success.
[I/FAL] The FAL MTD NOR device (filesystem) created successfully
[I/main] Filesystem initialized!

文件系统的使用

RT-thread 支持的文件系统很多，但是所有的文件系统都对接到 DFS 框架。对于上层应用，DFS 框架提供了统一的 POSIX 文件和目录操作接口。开发者更换文件系统后，可以将原来的代码无缝的移植到新的文件系统上而不需要修改代码。有关文件系统的示例代码可以点击此处查看。

FinSH 命令

启用 DFS 框架后，RT-Thread 的 FinSH 控制台就会新添加一些命令，我们可以利用这些命令快速的来验证文件系统是否正常工作。

使用 ls 命令查看当前目录信息，运行结果如下所示：

msh />ls                          # 使用 ls 命令查看文件系统目录信息
Directory /:                      # 可以看到已经存在根目录 /

使用 echo 命令将输入的字符串输出到指定输出位置，运行结果如下所示：

msh />echo "hello RT-Thread!!!" hello.txt      # 将字符串出输出到 hello.txt 文件
msh />ls
Directory /:
hello.txt           18
msh />

使用 cat 命令查看文件内容，运行结果如下所示：

msh />cat hello.txt                     # 查看 hello.txt 文件的内容并输出
hello RT-Thread!!!