RT-Thread学习之虚拟文件系统(DFS)

文件系统简介

早期的嵌入式系统由于需要存储的数据比较少，所以一般是直接在存储设备中指定地址写入数据的方法来存储数据。

随着嵌入式设备功能的发展，存储的数据越来越多，此时就需要一种新的数据管理方式——文件系统。

文件系统是一套实现了数据的存储、分级组织、访问和获取等操作的抽象数据类型 (Abstract data type)，是一种用于向用户提供底层数据访问的机制。
文件系统通常存储的基本单位是文件，即数据是按照一个个文件的方式进行组织。
当文件比较多时，将导致文件繁多，不易分类、重名的问题。而文件夹作为一个容纳多个文件的容器而存在。

DFS介绍

DFS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，文件系统的名称使用类似 UNIX 文件、文件夹的风格，目录结构如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Irjumohy-1595147628635)(https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/filesystem/figures/fs-dir.png)]

在RT-Thread DFS中，文件系统有统一的根目录，使用/来表示，目录的分隔符號是/，这与UNIX/Linux完全相同，与windows不同。

DFS架构

RT-Thread DFS组件的主要功能特点有：

为应用程序提供统一的 POSIX 文件和目录操作接口：read、write、poll/select 等。
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。
支持多种类型的存储设备，如 SD Card、SPI Flash、Nand Flash 等。

DFS的层次架构如下图所示，主要分为POSIX接口层、虚拟文件系统层和设备抽象层。

POSIX接口层

POSIX 表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX，缩写 POSIX）
POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准
是IEEE为要在各种 UNIX操作系统上运行的软件而定义的一系列API标准的总称。
使用poll/select接口可以阻塞地同时探测一组支持非阻塞的I/O设备是否有事情发生，直到某一个设备触发了事件或者超过了指定的等待时间。

虚拟文件系统层

用户可以将具体的文件系统注册到 DFS 中，如 FatFS、RomFS、DevFS 等，下面介绍几种常用的文件系统类型：

FatFS：专为小型嵌入式设备开发的兼容微软FAT格式的文件系统，具有良好的硬件无关性以及可移植性，是RT-Thread中最常用的文件系统类型；
RomFS：是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统，不支持动态擦写保存，按顺序存放数据，因而支持应用程序以XIP方式运行，在系统运行时节省RAM空间；
Jffs2：一种日志闪存文件系统。主要用于 NOR 型闪存，基于 MTD 驱动层，可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃 / 掉电安全保护，提供写平衡支持等。
DevFS：即设备文件系统，开启该功能后，可以将系统中的设备在 /dev 文件夹下虚拟成文件，使得设备可以按照文件的操作方式使用 read、write 等接口进行操作。
NFS 网络文件系统：一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。
UFFS：Ultra-low-cost Flash File System（超低功耗的闪存文件系统）的简称，国人开发的、专为嵌入式设备等小内存环境中使用 Nand Flash 的开源文件系统。

挂载管理

文件系统的初始化过程一般分为以下几个步骤：

初始化DFS组件
初始化具体类型的文件系统
在存储器上创建块设备
格式化块设备
挂载块设备到DFS目录中
当文件系统不再使用，可以将它卸载

初始化DFS组件

DFS 组件的的初始化是由 dfs_init() 函数完成。

注册文件系统

int dfs_register(const struct dfs_filesystem_ops *ops);

该函数不需要用户调用，他会被不同文件系统的初始化函数调用，如 elm-FAT 文件系统的初始化函数elm_init()。开启对应的文件系统后，如果开启了自动初始化（默认开启），文件系统初始化函数也将被自动调用。注册过程如下图所示：

将存储设备注册为块设备

因为只有块设备才可以挂载到文件系统上，因此需要在存储设备上创建所需的块设备。如果存储设备是 SPI Flash，则可以使用 “串行 Flash 通用驱动库 SFUD” 组件，它提供了各种 SPI Flash 的驱动，并将 SPI Flash 抽象成块设备用于挂载，注册块设备过程如下图所示：

格式化文件系统

注册了块设备之后，还需要在块设备上创建指定类型的文件系统，也就是格式化文件系统。可以使用 dfs_mkfs() 函数对指定的存储设备进行格式化，创建文件系统，格式化文件系统的接口如下所示：

int dfs_mkfs(const char * fs_name, const char * device_name);

以 elm-FAT 文件系统格式化块设备为例，格式化过程如下图所示：

挂载文件系统

在RT-Thread中，挂载是指将一个存储设备挂接到一个已存在的路径上。我们要访问存储设备中的文件，必须将文件所在的分区挂载到一个已存在的路径上，然后通过这个路径来访问存储设备。挂载文件系统的接口如下所示：

int dfs_mount(const char   *device_name,
              const char   *path,
              const char   *filesystemtype,
              unsigned long rwflag,
              const void   *data);

如果只有一个存储设备，则可以直接挂载到根目录/上。

卸载文件系统

当某个文件系统不需要再使用了，就可以将它卸载掉，接口函数如下所示：

int dfs_unmount(const char *specialfile);

文件管理

对文件的操作一般都要基于文件描述符fd，如下图所示：

打开和关闭文件

打开或创建一个文件可以调用下面的open（）函数：

int open(const char *file, int flags, ...);

flags: 指定打开文件的方式，O_RDONLY\O_WRONLY…

int close(int fd);

读写数据

int read(int fd, void *buf, size_t len);

向文件中写入数据可使用write（）函数：

int write(int fd, const void *buf, size_t len);

取得状态

获取文件状态可使用下面的stat()函数：

int stat(const char *file, struct stat *buf);

删除文件

删除指定目录下的文件可使用unlink()函数：

int unlink(const char *pathname);

同步文件数据到存储设备

同步内存中所有已修改的文件数据到储存设备可使用fsync()函数：

int fsync(int fildes);

查询文件系统相关信息

int statfs(const char *path, struct statfs *buf);

监视I/O设备状态

int select( int nfds,
            fd_set *readfds,
            fd_set *writefds,
            fd_set *exceptfds,
            struct timeval *timeout);

目录管理

DFS配置选项

文件系统在 menuconfig 中具体配置路径如下：

RT-Thread Components  --->
    Device virtual file system  --->

elm-FatFs文件配置选项

在menuconfig中开启elem-FatFs文件系统后可对elm-FatFs做进一步配置，配置菜单描述及对应的宏定义可以参考相关源码。

参考资料

虚拟文件系统

原文链接：https://blog.csdn.net/XMJYever/article/details/107447276