3、文件系统基础（FatFS）：从零开始理解存储管理

说实话，做嵌入式开发这么多年，我见过太多工程师在数据存储上栽跟头。有人直接用地址写Flash，结果数据一乱，整个系统就崩了。也有人自己写文件管理，最后发现比写业务逻辑还累。嗯，这时候你就需要一个成熟的文件系统——FatFS就是嵌入式领域最常用的选择。

3.1 FatFS文件系统简介

FatFS，全称是Fat File System，专门为嵌入式系统设计的轻量级文件系统。它支持FAT12、FAT16、FAT32，甚至exFAT。我最早接触它是在一个农业灌溉项目里，当时需要记录每小时的土壤湿度数据。如果不用文件系统，你得自己管理地址、擦除、磨损均衡……想想就头大。

FatFS的核心优势是什么？说白了就是：

• 代码量小：完整版也就几千行C代码，ROM占用不到10KB
• 移植简单：你只需要实现底层读写函数，其他都帮你封装好了
• 兼容性好：PC上读出来的SD卡，插到嵌入式设备上照样能用

3.2 文件与目录的基本概念

先聊聊最基础的东西。文件系统里，文件和目录是两个核心概念。

文件：就是一段连续的数据，有个名字。比如"2024-06-15_soil_data.csv"。文件有属性：只读、隐藏、系统、归档。我在项目中习惯把配置文件设为只读，防止误操作。

目录：也叫文件夹，用来组织文件。你可以把不同传感器的数据放到不同目录下。比如：

/data
  /soil
    sensor1.csv
    sensor2.csv
  /weather
    temp.csv
    humidity.csv
  /config
    system.cfg

这里有个坑，我曾经遇到过：FatFS的路径分隔符是/，不是Windows的\。第一次用的时候我写成了反斜杠，结果文件死活打不开。嗯，记住这个细节。

3.3 f_open / f_close / f_read / f_write API详解

这四个函数是FatFS最常用的API。我一个个说。

3.3.1 f_open —— 打开或创建文件

函数原型：

FRESULT f_open (
    FIL* fp,           // 文件对象指针
    const TCHAR* path, // 文件路径
    BYTE mode          // 访问模式
);

mode参数很关键，常用的有：

模式	含义	我常用的场景
FA_READ	只读	读取配置文件
FA_WRITE	只写	很少单独用
FA_OPEN_EXISTING	打开已有文件	追加日志时用
FA_CREATE_NEW	创建新文件（已存在则报错）	防止覆盖历史数据
FA_CREATE_ALWAYS	总是创建新文件（覆盖旧文件）	初始化时用
FA_OPEN_ALWAYS	打开或创建	最常用，省心

举个例子，打开一个日志文件，如果不存在就创建：

FIL fil;
FRESULT res = f_open(&fil, "0:/log/data.txt", FA_WRITE | FA_OPEN_ALWAYS);
if (res != FR_OK) {
    // 处理错误
    printf("文件打开失败，错误码：%d\n", res);
}

3.3.2 f_close —— 关闭文件

函数原型：

FRESULT f_close (FIL* fp);

这个函数看似简单，但很多人会忘。不关闭文件会有什么后果？

• 缓存数据没刷入存储介质
• 文件描述符泄漏（FatFS默认支持同时打开的文件数有限）
• 下次打开同一个文件可能失败

我习惯在函数末尾统一关闭文件，或者用goto语句做清理。比如：

FIL fil;
FRESULT res = f_open(&fil, "test.txt", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
if (res != FR_OK) goto exit;

// 写入数据...

f_close(&fil);
exit:
    // 清理工作
    return res;

3.3.3 f_read —— 读取文件数据

函数原型：

FRESULT f_read (
    FIL* fp,        // 文件对象指针
    void* buff,     // 读取缓冲区
    UINT btr,       // 要读取的字节数
    UINT* br        // 实际读取的字节数
);

注意br参数，它返回实际读到的字节数。如果小于btr，说明读到文件末尾了。我经常用这个来判断是否读完：

uint8_t buffer[64];
UINT bytes_read;
while (1) {
    res = f_read(&fil, buffer, sizeof(buffer), &bytes_read);
    if (res != FR_OK || bytes_read == 0) break;
    // 处理buffer中的数据
}

3.3.4 f_write —— 写入文件数据

函数原型：

FRESULT f_write (
    FIL* fp,        // 文件对象指针
    const void* buff, // 写入数据缓冲区
    UINT btw,       // 要写入的字节数
    UINT* bw        // 实际写入的字节数
);

写入时有个常见问题：bw可能小于btw。这通常意味着存储介质满了。我曾经在一个项目中没检查这个，结果数据写到一半停了，日志文件不完整，排查了好久才发现是SD卡满了。

正确的写法：

UINT bytes_written;
res = f_write(&fil, data, sizeof(data), &bytes_written);
if (res != FR_OK || bytes_written != sizeof(data)) {
    // 写入失败或未完全写入
    printf("写入错误！\n");
}

3.4 长文件名支持配置

FatFS默认只支持8.3格式的短文件名（比如"DATA001.TXT"）。但现实中，我们更想要"2024-06-15_土壤湿度_传感器1.csv"这样的名字。这就需要开启长文件名（LFN）支持。

配置方法很简单，在ffconf.h中修改：

#define FF_USE_LFN  2   // 1:静态缓冲区 2:动态缓冲区 3:从栈分配

我个人推荐用2（动态缓冲区），这样内存利用率高。但要注意：

• 开启LFN后，ROM占用会增加约2-4KB
• 文件名最大支持255个字符
• 需要额外配置FF_MAX_LFN（默认255）

另外，ffconf.h里还有几个相关配置：

宏定义	说明	我的建议
FF_LFN_UNICODE	0:ASCII 1:UTF-16 2:UTF-8	用2，兼容性好
FF_LFN_BUF	长文件名缓冲区大小	默认255够用
FF_USE_FIND	文件搜索功能	建议开启，方便遍历目录

嗯，到这里文件系统的基础就讲完了。下一节我们会实际动手，在STM32上移植FatFS，并实现一个简单的日志记录功能。到时候你会发现，这些API用起来其实很顺手。