背景介紹

LittleFS是一個應用于單片機內部flash和外掛NOR flash的文件系統。由于它相比傳統的FAT文件系統更適合于小型嵌入式系統，所以越來越多人把它應用于自己的項目中。那么除了NOR/NANDflash類型的存儲設備外，LittleFS是否可以應用于SD卡中呢？其實也是可以的。本文將使用i.mxRT1050 SDK中的littlefs_shell項目和sdcard_fatfs項目，改造出一個讀寫SD卡的littefs_shell。

操作步驟

本次實驗采用的是MCUXpresso IDE v11.7，SDK使用2.13版本。littleFS文件系統一共只有4個文件，其中lfs.h中顯示了當前的版本是littleFS 2.5。

1. 首先當然是把SD相關的代碼加入littlefs_shell工程。最簡單的方法莫過于再導入一個sdcard_fatfs項目，隨后將其中的sdmmc目錄全部復制到我們的工程下面。隨后還要復制board目錄下的sdmmc_config.c和sdmmc_config.h，drivers目錄下的fsl_usdhc.c和fsl_usdhc.h。

2. 修改程序，包括SD卡檢測和初始化，增加一個從LittleFS到SD驅動程序的橋梁。在littlefs_shell.c中增加以下代碼。

extern sd_card_t m_sdCard;  
status_t sdcardWaitCardInsert(void)  
{  
    BOARD_SD_Config(&m_sdCard, NULL, BOARD_SDMMC_SD_HOST_IRQ_PRIORITY, NULL);  
  
    /* SD host init function */  
    if (SD_HostInit(&m_sdCard) != kStatus_Success)  
    {  
        PRINTF("
SD host init fail
");  
        return kStatus_Fail;  
    }  
  
    /* wait card insert */  
    if (SD_PollingCardInsert(&m_sdCard, kSD_Inserted) == kStatus_Success)  
    {  
        PRINTF("
Card inserted.
");  
        /* power off card */  
        SD_SetCardPower(&m_sdCard, false);  
        /* power on the card */  
        SD_SetCardPower(&m_sdCard, true);  
//        SdMmc_Init();  
    }  
    else  
    {  
        PRINTF("
Card detect fail.
");  
        return kStatus_Fail;  
    }  
  
    return kStatus_Success;  
}  
status_t sd_disk_initialize()  
{  
    static bool isCardInitialized = false;  
  
    /* demostrate the normal flow of card re-initialization. If re-initialization is not neccessary, return RES_OK directly will be fine */  
    if(isCardInitialized)  
    {  
        SD_Deinit(&m_sdCard);  
    }  
  
    if (kStatus_Success != SD_Init(&m_sdCard))  
    {  
        SD_Deinit(&m_sdCard);  
        memset(&m_sdCard, 0U, sizeof(m_sdCard));  
        return kStatus_Fail;  
    }  
  
    isCardInitialized = true;  
  
    return kStatus_Success;  
}

在main()里添加:

 if (sdcardWaitCardInsert() != kStatus_Success)  
 {  
     return -1;  
 }  
  
status=sd_disk_initialize();

3.新建一個c文件，lfs_sdmmc.c。調用順序是littlefs->lfs_sdmmc.c->lfs_sdmmc_bridge.c->fsl_sd.c。

lfs_sdmmc.c和lfs_sdmmc_bridge.c作為中間層，可以連接littlefs和sd上層驅動。其中必須要注意的是地址的映射關系。littleFS給出的地址是塊地址 + 偏移地址。見下圖。這是一次mount命令所發出的讀指令。其中的塊地址指的是擦除塊（sector）的地址。而讀寫操作使用的是最小的讀寫塊地址（BLOCK），具體在下文中說明。

因此在lfs_sdmmc.c中先把littleFS給的地址轉換成byte地址。再在lfs_sdmmc_bridge.c中把SD卡讀寫地址改為BLOCK地址。由于目前大多數SD卡都超過了4GB，byte地址需用64位變量。

下圖是littleFS在mount的時候讀BLOCK的情況:

下面是lfs_sdmmc.c中read和erase的函數:

int lfs_sdmmc_read(const struct lfs_config *lfsc, lfs_block_t block, lfs_off_t off, void *buffer, lfs_size_t size)  
{  
    struct lfs_sdmmc_ctx *ctx;  
    uint64_t flash_addr;  
  
    assert(lfsc);  
    flash_addr =  block * lfsc->block_size + off;  
    if (lfssd_Read (flash_addr, size, buffer ) != kStatus_Success)  
        return LFS_ERR_IO;  
  
    return LFS_ERR_OK;  
}  
int lfs_sdmmc_erase(const struct lfs_config *lfsc, lfs_block_t block)  
{  
    status_t status = kStatus_Success;  
    struct lfs_sdmmc_ctx *ctx;  
    uint64_t sdmmc_addr;  
  
    assert(lfsc);  
    sdmmc_addr =  block * lfsc->block_size;  
    for (uint32_t sector_ofs = 0; sector_ofs < lfsc->block_size; sector_ofs +=lfsc->block_size)  
    {  
        status = lfssd_EraseBlocks (sdmmc_addr + sector_ofs, 512);  
        if (status != kStatus_Success)  
            break;  
    }  
  
    if (status != kStatus_Success)  
        return LFS_ERR_IO;  
  
    return LFS_ERR_OK;  
}

這是lfs_sdmmc_bridge.c中read和erase函數。可以分辨其中的地址映射關系:

bool lfssd_EraseBlocks (uint64_t address, uint32_t len)  
{  
    if (address % BLOCK_SIZE > 0)    return kStatus_Fail;  
  
    uint32_t startDataBlockIndex = address / BLOCK_SIZE;  
  
    if(SD_EraseBlocks (&m_sdCard, startDataBlockIndex, len/BLOCK_SIZE) == kStatus_Success)  
        return kStatus_Success;  
    else  
        return kStatus_Fail;  
}  
  
bool lfssd_Read (uint64_t address, uint32_t dataLen, void* buff)  
{  
    if (dataLen == 0)  
        return true;  
  
    if (kStatus_Success != SD_ReadBlocks (&m_sdCard, buff, address/BLOCK_SIZE, SD_CARD_DATA_BLOCK_COUNT))  
    {  
        return kStatus_Fail;  
    }  
  
    return kStatus_Success;  
}

4. 最重要的一步是littleFS參數配置。在peripherals.c中有一個結構體LittlsFS_config，這個結構體中不但包含了SD卡的操作函數，還包括讀寫扇區和緩存大小。這個結構體的設置非常關鍵。如果設的不好，不但影響性能，更可能會運行出錯。在設置之前，讓我們先來介紹一下SD卡和littleFS的大致原理。

SD卡的存儲單元是BLOCK，讀寫都可以按照BLOCK進行。不同的卡每個BLOCK的大小是可以不同的。對于標準SD卡，可以用CMD16設置塊命令的長度，對于SDHC卡塊命令長度固定為512字節。SD卡的擦除是按照扇區或者說SECTOR進行的。每個扇區的大小需要查SD卡的CSD寄存器。

如果CSD寄存器ERASE_BLK_EN= 0時，Sector是最小的擦除單元，它的單位是“塊”。Sector的值等于CSD寄存器中的SECTOR_SIZE的值+1。比如SECTOR_SIZE是127，那么最小擦除單元是512*(127+1)=65536字節。另外有時候會有疑問，現在的SD卡其實很多都有磨損功能以降低頻繁擦寫帶來的損耗，延長使用壽命。所以其實刪除操作或者是讀寫操作并不一定是真正的物理地址。而是經過SD控制器映射的。但是對用戶來說，這種映射是透明的。所以不用擔心這會對正常操作產生影響。

LittleFS是一個輕量級的文件系統，相比FAT系統，它有掉電恢復能力和動態磨損均衡功能。掛載后，littlefs提供了一整套類似POSIX的文件和目錄功能，所以可以象操作一般常見文件系統一樣的進行操作。LittleFS一共只有4個文件，使用時基本不需要修改。由于LittleFS要操作的NOR/NAND flash本質是一種塊設備，所以為了使用方便，LittleFS是以塊為單位進行讀寫的，對底層NOR/NAND Flash接口驅動都是以block為單位進行的。

下面來看一下LittleFS配置參數的具體內容:

const struct lfs_config LittleFS_config = {  
  .context = (void*)0,  
  .read = lfs_sdmmc_read,  
  .prog = lfs_sdmmc_prog,  
  .erase = lfs_sdmmc_erase,  
  .sync = lfs_sdmmc_sync,  
  .read_size = 512,  
  .prog_size = 512,  
  .block_size = 65536,  
  .block_count = 128,  
  .block_cycles = 100,  
  .cache_size = 512,  
  .lookahead_size = LITTLEFS_LOOKAHEAD_SIZE  
};

其中，第一項在本項目沒有什么用，在SDK中用來保存文件系統在Flash中存放的偏移量；

第二項（.read）到第五項（.sync）指向各項操作的處理函數；

第六項.read_size是讀操作的最小單位。這個值大致等于SD卡的BLOCK大小。在SD卡驅動程序中，這個大小已經固定設為512。所以為了方便這里也一樣設為512。

第七項.prog_size就是每次寫入的字節數，這里和.read_size一樣都是512字節。

第八項是.block_size。這一項可以認為就是進行擦除操作時SD卡支持的最小擦除塊。這里默認值不重要，需要在SD卡初始化后根據實際情況在程序中設置。

第九項（.block_count）是用來表示一共有多少可擦除塊的。和.block_size相乘就可以得到卡的大小。本次實驗中使用的卡就是64k字節為一個擦除塊，所以這里直接使用65536。如果卡是可換的則需要在SD卡初始化后再根據參數確定。

第十項（.block_cycles）是每個block的擦寫循環次數。

第十一項(.cache_size)緩存大小。給人的感覺應該是越大越好，但實際上修改這個值后會無法工作。所以還是512。

第十二項(lookahead_size)littlefs中使用一個lookahead buffer來管理和分配塊。lookahead buffer是一個固定大小的bitmap，記錄一片區域內塊分配的信息。lookaheadbuffer只記錄了一片區域內塊分配的信息，當需要知道其他區域塊分配的情況時，就需要進行掃描文件系統來查找已分配的塊。如lookahead buffer中已經沒有空閑塊、需要推移lookaheadbuffer來查找文件系統中的其他空閑塊。每次lookahead buffer位置推移一個lookahead_size。這里使用原來的值即可。

好了，到此為止基本上都改好了。插上卡試一試。

果然，移植非常成功，format以后，可以寫可以讀可以建目錄。還可以在已有的文件后面添加。

可我們還是在多次測試后發現一個問題，如果對一個文件進行反復的添加->關閉->添加->關閉操作后，這個文件的打開會越來越慢，甚至需要幾秒鐘。這是應為添加的內容并不是直接寫在文件最后一個BLOCK里，而是會新申請一個BLOCK，不管之前的BLOCK是否寫滿。如圖：

上圖是把每次write命令中用到的所有讀、寫、擦除操作的次數打印出來。可以看到每次在lfs_file_open中都要比上次寫操作多一次讀。這樣在經過幾十上百次循環后一個文件會涉及很多個BLOCK。這些BLOCK依次讀下來非常耗費時間。測試中發現超過100次寫操作后所用的時間超過秒級。為了加快速度，建議在一個文件添加幾十次后，把內容復制到另一個文件中去。這樣分散的內容會整合起來寫入少量的BLOCK。這可以大大加快讀寫的速度。

總結

LittleFS作為一個輕量級的文件系統，具有比FAT小的多的footprint。同時，它又比FAT更加可靠，更適合嵌入式環境下使用。而SD卡不但容量遠遠超過NOR flash，同時又能支持SPI接口，并且可以隨意插拔，具有極大的靈活性。將兩者結合可以使單片機系統具有很強的數據記錄能力。

審核編輯：劉清