物联网行业中小型嵌入式文件系统详解以及使用

一 概述

 在嵌入式系统使用过程中,为了方便数据的存储,我们加入了串行的外部Flash(SPI通信)。在使用存储的时候,如需要记录一个字符串“奇迹物联Bloom OS”,我们可以把这些文字转化成 ASCII 码,存储在数组中,然后调用写函数,把数组内容写入到Flash芯片的指定地址上,在需要的时候从该地址把数据读取出来,再对读出来的数据以 ASCII 码的格式进行解读。

我们可以发现有几个问题:

(1)难以记录有效数据的位置;

(2)难以确定存储介质的剩余空间;

(3)不明确应该以何种格式来解读数据。

直接存储数据的方式对于小容量的存储介质如 EEPROM 还可以接受,但对于 SPI Flash 芯片或者 SD 卡之类的大容量设备,我们需要一种高效的方式来管理它的存储内容。

ASCII表示一个字符需要占用七位二进制数,最左边为0,所以要占用一个字节。

二 文件系统原理

文件系统是对数据进行管理的方式,使用文件系统可以有效的管理存储介质(Flash,EEPROM,SD卡,磁盘等);

 使用文件系统时,它为了存储和管理数据,在存储介质建立了一些组织结构这些结构包括操作系统引导区、目录和文件。常见的windows下的文件系统格式包括FAT32、NTFS、exFAT。在使用文件系统前,要先对存储介质进行格式化。格式化时会在存储介质上新建一个文件分配表和目录。这样,文件系统就可以记录数据存放的物理地址,剩余空间。

 使用文件系统时,数据都以文件的形式存储。写入新文件时,先在目录中创建一个文件索引,它指示了文件存放的物理地址,再把数据存储到该地址中。当需要读取数据时,可以从目录中找到该文件的索引,进而在相应的地址中读取出数据。具体还涉及到逻辑地址、簇大小、不连续存储等一系列辅助结构或处理过程,文件系统的存在使存取数据时,不再是简单地向某物理地址直接读写,而是要遵循它的读写格式。如经过逻辑转换,一个完整的文件可能被分开成多段存储到不连续的物理地址,使用目录或链表的方式来获知下一段的位置。

关于内存扇区、块、簇的基本概念:

 扇区(sector):flash可操作的最小单元,通常指我们擦除的最小单元大小,以sdnand举例,通常最小为512Byte

 块(block) 以及簇(cluster):其实这是两个相同的概念,只是由于历史原因,在不同系统上的不同称呼,在windows中称簇,而在linux中称块。一个簇/块由多个扇区组成,由于一个扇区的空间较小,因此文件系统通过会将多个扇区组合在一起形成一个簇,并以簇为单位进行读写操作!一个簇通常可以由 2、4、8、… 、2的n次方个扇区组成。

目录和文件分配表的概念

目录:告诉我文件的各个属性,比如名字,大小,时间,读写属性等等;

文件分配表:告诉我们这个文件的存储地方,怎么读取这个文件,如下图从目录读完读第一个扇区,第一个读完读取第二个……等等。

文件系统的空间示意图:存储了A.TXT,B.TXT,C.TXT文件

目录示意图:记录了文件的开始簇位置、大小等信息

文件分配表:文件 a.txt 我们根据目录项中指定的 a.txt 的首簇为 2,然后找到文件分配表的第 2 簇记录,上面登记 的是 3,就能确定下一簇是 3。找到文件分配表的第 3 簇记录,上面登记的 是 4,就能确定下一簇是 4…直到指到第 11 簇,发现下一个指向是 FF,就是结束。文件便读取完毕。

删除B.TXT文件,创建D.TXT文件后的空间示意图

删除B.TXT文件,创建D.TXT文件后的目录示意图

删除B.TXT文件,创建D.TXT文件后的文件分配表示意图

三 如何选择一个合适的小型嵌入式文件系统

参考小型文件系统如何选择?FatFs和LittleFs优缺点比较

四 文件系统软件使用

1 Gitee链接地址

组件位于amaziot_bloom_os_sdk\libraries\am\xtu\am_file.c

Gitee源码地址:https://gitee.com/ning./hongdou

Github源码地址:https://github.com/ayumid/hongdou

2 应用层组件功能介绍

文件组件提供了一种存储数据的方式,用户可以参考组件,修改组件中数据内容,来实现自己项目的数据保存工作。

数据保存形式最好是封成一个结构体,写文件直接写结构体指针就可以了。结构体内保存各种类型,需要断电保存的数据,再次上电,可以保留之前的一些设置等。

3 代码讲解

1 dtu_get_file_ctx

功能:该函数用于,其它软件模块使用文件模块相关资源时,获取资源句柄。

参数:无

返回值:文件缓冲区指针

示例:

dtu_file_ctx = dtu_get_file_ctx();

2 dtu_init_trans_conf

功能:该函数用于,初始化云服务器信息到文件。

参数:无

返回值:无

示例:

//init write tans_file 
dtu_init_trans_conf();

3 dtu_trans_conf_file_init

功能:该函数用于,信息存储文件不存在,创建文件;存在,读取文件。

参数:无

返回值:无

示例:

dtu_trans_conf_file_init();

4 dtu_trans_conf_file_read

功能:该函数用于,读文件,读完后关闭文件,将文件信息拷贝到全局存储变量中。

参数:无

返回值:无

示例:

dtu_trans_conf_file_read(1);

5 dtu_trans_conf_file_write

功能:该函数用于,打开文件,写入文件后关闭文件。

参数:

参数

释义

st_dtu_file

文件地址

返回值:无

示例:

//写入文件 
dtu_trans_conf_file_write(dtu_file_ctx);

4 Demo实战

4.1 创建一个Demo

复制5.2_file示例工程,到同一个文件夹下,修改文件名为20.1_file_xtu,如图:

4.2 修改makefile

增加文件组件所在目录头文件路径,和源文件路径,如图:

4.3 增加头文件

使用代码编辑器,将新建的工程文件加入代码编辑器中,打开main.c,修改main.c,加入am.h头文件,如图:

4.4 修改代码

在Phase2Inits_exit 调用文件组件提供的对外API,如图:

4.5 编译

在SDK根目录打开命令行,输入命令.\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\20.1_file_xtu\

PS F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08
λ .\build.bat -l .\amaziot_bloom_os_sdk\sample\libraries\20.1_file_xtu\
子目录或文件 out\bin 已经存在。
命令语法不正确。
子目录或文件 build\obj 已经存在。
gnumake: Entering directory `F:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/20.1_file_xtu'
armcc.exe -c  --cpu Cortex-R4 --no_unaligned_access -g -O2 --apcs /inter --diag_suppress 2084,1,2,177,188,223,550,1296,2795,6319,9931,9933 --diag_error=warning --gnu --thumb --loose_implicit_cast  -DDATA_COLLECTOR_IMPL -DISPT_OVER_SSP -DDIAG_SSP_DOUBLE_BUFFER_USE_DYNAMIC_ALLOCATION -DENV_XSCALE -DL1_DCXO_ENABLED -DLTE_HIGH_MOBILITY_OPTIMIZATION -DRUN_XIP_MODE -DCRANE_Z2 -DCA_LONG_IPC_MSG -DNEZHA3 -DNEZHA3_1826 -DUPGRADE_PLMS -DUPGRADE_PLMS_SR -DLTE_GSMMULTIBCCH -DGPLC_LTE_RSSI_SCAN -DL1V_NEW_RSSI -DUPGRADE_PLMS_3G -DUPGRADE_PLMS_L1 -DUPGRADE_FG_PLMS -DFG_PLMS_URR -DUPGRADE_L1A_FG_PLMS -DUPGRADE_PLMS_STAGE_2 -DUPGRADE_MBCCH -DMULTI_BCCH_READY_IND -DURR_MRAT_ICS_SEARCH -DUPGRADE_ICS -DMRAT_NAS -DUPGRADE_PLMS_SEARCH_API -DICS_MBCCH -DICS_MBCCH_2G_RSSI -DDIAG_NEWPP -DPHS_SW_DEMO -DPHS_SW_DEMO_TTC -DPHS_SW_DEMO_TTC_PM -DFULL_SYSTEM -D_DDR_INIT_ -D_TAVOR_HARBELL_ -DUPGRADE_ARBEL_PLATFORM -D_TAVOR_B0_SILICON_ -DTDL1C_SPY_ENABLE -DDLM_TAVOR -DTAVOR -DFLAVOR_DUALCORE 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-IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\include\asr160x\hal\dbgshell\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\include\asr160x\pcac\opencpu\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\amaziot_bloom_os_sdk\utils -IF:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/20.1_file_xtu\am\inc -IF:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/20.1_file_xtu\atcmds\inc -IF:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/libraries\am\xtu  -o build\obj/am_file.o F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/libraries/am/xtu/am_file.c
armlink.exe build\obj/main.o build\obj/ext_at_cmds.o build\obj/ext_at_controller.o build\obj/am_file.o \-o F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\out\bin\Arbel_PMD2NONE_40M.axf \--via F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\prebuilt_1606l\Arbel_PMD2NONE_targ_objliblist.txt \--elf \--scatter F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\prebuilt_1606l\Crane_DS_4M_Ram_2M_Flash_XIP_CIPSRAM_Common_SingleSIM.sct \--predefine="-DLTEONLY_THIN_SINGLE_SIM" --map --symbols --info sizes,totals \--list F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\out\bin\Arbel_PMD2NONE_40M.map \--keep init.o(Header) --keep init.o(Vectors) --diag_suppress 6312,6314,6319,6329 \--feedback F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\out\feedbackLinkOptLteonlyThin_SingleSim_NoSMS.txt
F:\3.asr-b\cat.1-asr1606\1.software\BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08\tools\buildimage_1606l.bat
SDK_PROD_TYPE   : [DM]
SDK_CUST_SKU    : [THIN_SINGLE_SIM_NO_SMS]
SDK_PS_MODE     : [LTEONLY]
SDK_CHIP_VER    : [Z2A0]
SDK_OS_TYPE     : [TX]
Platform Convertion Tools v4.01 with PS option extension
Convertion done!
|INPUT   |out\bin\cp_1606L.bin
|MARK    |NAME    |EXEADDR .LOADADDR.LENGTH  .CPZLADDR|COMPRESS STASTIC              |
|--------|--------|--------.--------.--------.--------|------------------------------|
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_1|DDR_RW_ |7e11c000.80064154.0000cdc4.80065000|0000cdc4->00003000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_2|PS_NCAH |7e388000.80070f18.00001300.80068000|00001300->00001000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_3|ITCM    |7e3dac00.80072218.0000f51c.80069000|0000f51c->0000a000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_4|CODE_PS |7e1ad000.80081734.0002fc58.80073000|0002fc58->0001e000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_5|CODEPSB |7e1df000.800b138c.000339c0.80091000|000339c0->0001b000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_6|CODEPSC |7e216000.800e4d4c.000323ec.800ac000|000323ec->0001b000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_7|CODEPSD |7e24c000.80117138.00028d88.800c7000|00028d88->0001a000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_8|CODEPSE |7e27a000.8013fec0.0002e310.800e1000|0002e310->0001a000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_9|CODEPSF |7e2ac000.8016e1d0.0001c948.800fb000|0001c948->00011000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_A|CODE_PL |7e2cd000.8018ab18.0002f914.8010c000|0002f914->0001e000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_B|CODEPLB |7e2fd000.801ba42c.00038d38.8012a000|00038d38->00021000
|This Is LteOnly 4M|
|RW_CPZ_C|CODEPLC |7e337000.801f3164.000268d4.8014b000|000268d4->00012000
|--------|--------|--------.--------.--------.--------|------------------------------|
|                                                     |      0x00202a38 -> 0x00146000|
|                                                     |       2.010(MB) ->  1.273(MB)|
|------------------------------------------------------------------------------------|
cp_1606L.axf
cp_1606L.bin
cp_1606L.map
gnumake: Leaving directory `F:/3.asr-b/cat.1-asr1606/1.software/BLOOM_OS_1606_OPENCPU_1191_A08/amaziot_bloom_os_sdk/sample/libraries/20.1_file_xtu'
"copy NEZHAC_CP_CNR_MIFI_TX.bin to ./ "已复制         1 个文件。

4.6 生成固件

参考入门中开发工具,生成工具。

4.7 查看现象

固件下载到模组后,观察Debug串口现象。如下,

[11-17 15:11:50:973]debug> enter main
[11-17 15:11:50:973][11-17 15:11:51:053]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:00:978]heartflag:1[11-17 15:12:00:978]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:10:981]heartflag:2[11-17 15:12:10:981]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:20:979]heartflag:3[11-17 15:12:20:979]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:30:980]heartflag:4[11-17 15:12:30:980]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:40:982]heartflag:5[11-17 15:12:40:982]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:12:50:982]heartflag:6[11-17 15:12:50:982]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:00:966]heartflag:7[11-17 15:13:00:966]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:10:982]heartflag:8[11-17 15:13:10:982]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:20:982]heartflag:9[11-17 15:13:20:982]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:30:983]heartflag:10[11-17 15:13:30:983]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:40:971]heartflag:11[11-17 15:13:40:971]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:13:50:982]heartflag:12[11-17 15:13:50:982]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:00:984]heartflag:13[11-17 15:14:00:984]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:10:984]heartflag:14[11-17 15:14:10:984]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:20:986]heartflag:15[11-17 15:14:20:986]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:30:986]heartflag:16[11-17 15:14:30:986]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:40:986]heartflag:17[11-17 15:14:40:986]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:14:50:986]heartflag:18[11-17 15:14:50:986]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:15:00:987]heartflag:19[11-17 15:15:00:987]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:15:10:987]heartflag:20[11-17 15:15:10:987]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:15:20:989]heartflag:21[11-17 15:15:20:989]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK[11-17 15:15:30:988]heartflag:22[11-17 15:15:30:988]dtu_trans_conf_file_write[235] open file for write OK

5 总结

根据实验现象,用户在实现自己项目中的数据保存业务,可以直接修改当前Demo中结构体里面的变量,移植到项目中就可以了。

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki,更多技术干货欢迎关注收藏Wiki:Cellular IoT Wiki 知识库

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Cellular IoT Wiki初心:

在我们长期投身于蜂窝物联网 ODM/OEM 解决方案的实践过程中,一直被物联网技术碎片化与产业资源碎片化的问题所困扰。从产品定义、芯片选型,到软硬件研发和测试,物联网技术的碎片化以及产业资源的碎片化,始终对团队的产品开发交付质量和效率形成制约。为了减少因物联网碎片化而带来的重复开发工作,我们着手对物联网开发中高频应用的技术知识进行沉淀管理,并基于 Bloom OS 搭建了不同平台的 RTOS 应用生态。后来我们发现,很多物联网产品开发团队都面临着相似的困扰,于是,我们决定向全体物联网行业开发者开放奇迹物联内部沉淀的应用技术知识库 Wiki,期望能为更多物联网产品开发者减轻一些重复造轮子的负担。

Cellular IoT Wiki沉淀的技术内容方向如下:

奇迹物联的业务服务范围:基于自研的NB-IoT、Cat1、Cat4等物联网模组,为客户物联网ODM/OEM解决方案服务。我们的研发技术中心在石家庄,PCBA生产基地分布在深圳、石家庄、北京三个工厂,满足不同区域&不同量产规模&不同产品开发阶段的生产制造任务。跟传统PCBA工厂最大的区别是我们只服务物联网行业客户。

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