文件系統靈活用——智能家居DIY連載教程3

2021-02-24 RTThread物聯網作業系統

Hi，各位小夥伴，DIY 活動已經來到了第三周！前兩周的任務大家都完成了嗎？本周將會迎來新的挑戰——文件系統。本文將從 SPI Flash 和 SD Card 兩方面給大家講解如何使用文件系統，以及針對本次 DIY 做出的一些優化，會大大增強系統性能，一起來看看吧~

我們來看一下第三周的任務：

了解 RT-Thread 文件系統，在接收節點中使用文件系統，存放來自發送節點發送過來的數據。

上述任務比較單一，只是文件系統而已。不過，能巧妙靈活的把文件系統用好用對，可不是一件輕鬆的事情。

DFS 是 RT-Thread 提供的虛擬文件系統組件，全稱為 Device File System，即設備虛擬文件系統，文件系統的名稱使用類似 UNIX 文件、文件夾的風格。

RT-Thread DFS 組件的主要功能特點有：

為應用程式提供統一的 POSIX 文件和目錄操作接口：read、write、poll/select 等。

支持多種類型的文件系統，如 FatFS、RomFS、DevFS 等，並提供普通文件、設備文件、網絡文件描述符的管理。

支持多種類型的存儲設備，如 SD Card、SPI Flash、Nand Flash 等。

DFS 的層次架構如下圖所示，主要分為 POSIX 接口層、虛擬文件系統層和設備抽象層。如下圖：

DFS 的更多內容，請在 RT-Thread 文檔中心中查看：https://www.rt-thread.org/document/site/ （由於微信無法插入外部連結，請將以上連結複製至外部瀏覽器打開）
3.1 準備工作

以正點原子的潘多拉開發板 (Iot Board) 為例，教大家在 SPI Flash 上使用文件系統。

值得一提的是，RT-Thread 已經將 libc 那套文件系統接口對接到 DSF 上了，在 env 工具中開啟 libc 和 DFS 即可，本次教程使用 libc 的那套接口進行文件的打開/關閉、讀取/寫入。

在 menuconfig 中開啟 libc：

1RT-Thread Components  --->
2    POSIX layer and C standard library  --->
3        [*] Enable libc APIs from toolchain

在 meunconfig 中開啟 DFS，本教程使用 elmfatfs 文件系統，需要將 elmfatfs 掛載到 RT-Thread 的 DFS 上，所以 elmfatfs 也要開啟：

1RT-Thread Components  --->
2    Device virtual file system  --->
3        [*] Using device virtual file system
4        [*]   Enable elm-chan fatfs

當然，不要忘記在 meunconfig 中開啟 SPI Flash：

1Hardware Drivers Config  --->
2    Onboard Peripheral Drivers  --->
3        [*] Enable QSPI FLASH (W25Q128 qspi1)

潘多拉開發板上的 SPI Flash 使用的是 QSPI 接口，還需要在 meunconfig 中把 QSPI 接口開啟：

1Hardware Drivers Config  --->
2    On-chip Peripheral Drivers  --->
3        [*] Enable QSPI BUS

退出 menuconfig 後需要輸入 「scons --target=mdk5」 更新工程。

3.2 文件系統的掛載

本次 DIY 使用的文件系統是 elmfatfs，elmfatfs 需要在塊設備上才能進行文件操作。潘多拉板子上的 SPI Flash 是 W25Q128，我們需要將 W25Q128 註冊成塊設備，才能使用 elmfatfs 進行文件操作。如下示例代碼：

1static int rt_hw_qspi_flash_with_sfud_init(void)
2{
3    stm32_qspi_bus_attach_device("qspi1", "qspi10", RT_NULL, 4, w25qxx_enter_qspi_mode, RT_NULL);
4    if (RT_NULL == rt_sfud_flash_probe("W25Q128", "qspi10"))
5        return -RT_ERROR;
6    return RT_EOK;
7}
8INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_qspi_flash_with_sfud_init);

在 FinSH 中輸入 「list_decive」，即可看到 W25Q128 註冊成了塊設備了，並掛載在 QSPI 上：

W25Q128 註冊成了塊設備後，就能將 elmfatfs  這個文件系統掛載到 RT-Thread 的 DFS 上了，如下示例代碼：

1dfs_mount("W25Q128", "/", "elm", 0, 0)


3.3 文件操作

到此為止，我們就可以使用 libc 的接口進行文件操作了，將接收到的數據以文件方式存放到 W25Q128 裡面去，舉個簡單的例子，如下示例代碼：

1FILE *recvdata_p0;
2recvdata_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "a+");
3if (recvdata_p0 != RT_NULL)
4{
5    fputs((char *)RxBuf_P0, recvdata_p0);
6    fputs("\n", recvdata_p0);
7    fclose(recvdata_p0);
8}

在 Finsh 中輸入 「ls」 可以查看當前文件系統中的文件目錄，如下圖：

輸入 「cat XXX」 可以查看文件內容，如下圖：

簡單的幾步就可以進行文件操作了，RT-Thread 的文件系統還是相當易用的。

4.1 準備工作

以正點原子的潘多拉開發板 (Iot Board) 為例，教大家在 SD Card 上使用文件系統。

和上面的 SPI Flash 一樣，在 menuconfig 中開啟相關選項：SD Card，SPI（潘多拉板子的 SD 卡是用 SPI 驅動的而不是 SDIO），libc，DFS，elmfatfs。

4.2 文件系統的掛載

與 SPI Flash 一樣，需要將 SD Card 註冊成塊設備，才能掛載文件系統。如下示例代碼：

1static int rt_hw_spi1_tfcard(void)
2{
3    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
4    rt_hw_spi_device_attach("spi1", "spi10", GPIOC, GPIO_PIN_3);
5    return msd_init("sd0", "spi10");
6}
7INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi1_tfcard);

在 FinSH 中輸入 「list_decive」，即可看到 SD Card 註冊成了塊設備了，並掛載在 SPI 上：

SD Card 註冊成了塊設備後，就能將 elmfatfs  這個文件系統掛載到 RT-Thread 的 DFS 上了，如下示例代碼：

1dfs_mount("sd0", "/", "elm", 0, 0)

需要注意的是，如果大家手頭的板子是使用 SDIO 接口來驅動 SD Card 的，那麼將 SD Card 註冊成塊設備將不用我們操心，RT-Thread 源碼中的 「...rt-thread\components\drivers\sdio\block_dev.c」 文件中，會將 SD Card 註冊成塊設備的。當然，文件系統的掛載還是需要我們手動敲代碼去實現的。4.3 文件操作

與 SPI Flash 一樣，可以直接使用 libc 的接口進行文件操作，如下示例代碼：

1FILE *recvdata_p0;
2recvdata_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "a+");
3if (recvdata_p0 != RT_NULL)
4{
5    fputs((char *)RxBuf_P0, recvdata_p0);
6    fputs("\n", recvdata_p0);
7    fclose(recvdata_p0);
8}

5.1 優化1

將文件系統用起來，進行文件操作，是一件相對比較容易的事情。不過當將文件系統運用到實際項目中的時候，往往會因為一些需求或者說是其他因素，導致事情不那麼好辦。就拿這個 DIY 來說，如果就像上面的示例代碼這麼用文件系統，雖然系統能正常工作，但是會帶來一些問題：

眾所周知，文件的操作是需要佔用大量時間和資源的，通俗來說就是慢，像文件的讀，寫，打開，創建等，都是比較慢的。如果發送節點發數據過來，接收節點每收到一條數據，就用文件系統記錄這個數據，這樣會導致系統性能下降。如何保證減少文件操作次數，提高系統性能，又能保證每條數據都不丟失呢？

這裡使用 ringbuffer 來避免這個問題。

ringbuffer 是一種先進先出的 FIFO 環形緩衝區，DIY 的接收節點工程中，我們創建了兩個線程去工作，一個是 nrf24l01_thread 線程，用於接收來自發送節點的數據，另一個是 DFS_thread 線程，用於利用文件系統保存數據的。並且創建一個 4KB 大小的一個 ringbuffer：

1static struct rt_ringbuffer *recvdatabuf;
2recvdatabuf = rt_ringbuffer_create(4069); 

每當 nrf24l01_thread 線程接收到一條數據，就存放到 ringbuffer 中去：

1rt_ringbuffer_put(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)str_data, strlen(str_data));

在DFS_thread 線程中，我們設置一個 ringbuffer 的閾值，這裡我將閾值設置成了 ringbuffer 大小的一半，當寫入的數據達到了 ringbuffer 的閾值之後，就將 ringbuffer 中所有的數據統統寫入文件中去：

1
2if (rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf) > (4096 / 2))
3{
4    
5    recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
6    if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
7    {
8        while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
9        {
10            size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, (4096 / 2));
11            fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
12        }
13        fclose(recvdatafile_p0);
14    }
15}

這麼做，就可以儘可能的減少了文件的操作，提高了系統的性能，同時又保證每一條數據都不會丟失。

5.2 優化2

但是，還有一個問題：

如果發送節點很久很久才發數據過來，或者說是接收節點很久很久才收到數據，那麼 ringbuffer 要很久很久才能到閾值。如果這時候，已經寫了整整一天的數據進 ringbuffer 中了，只差一點點就要到閾值了，很快就可以將數據寫入到文件中去了，這時候偏偏斷電了！整整一天的數據白白丟失了，心痛嗎？

當然，掉電丟數據這種情況是不可以避免的，但是我們可以通過一些算法優化（姑且叫它算法吧），儘可能的減少丟失數據的可能。

解決思路是：定個固定時間，計時，如果時間一到，此時數據還沒寫滿 ringbuffer 的閾值，這時候就不管數據到沒到閾值了，直接將 ringbuffer 裡的數據全部寫入文件中去。要實現這個思路需要搭配事件集 (event) 使用。

在 nrf24l01_thread 線程中，每收到一個數據，就發送一個事件：

1while (1)
2{
3    if (!rx_pipe_num_choose())
4    {
5        
6        if(sscanf((char *)RxBuf_P0, "%d,+%f", &buf.timestamp, &buf.temperature) != 2)
7        {
8            
9            if(sscanf((char *)RxBuf_P0, "%d,-%f", &buf.timestamp, &buf.temperature) != 2)
10            {
11                continue;
12            }
13            buf.temperature = -buf.temperature;
14        }
15        sprintf(str_data, "%d,%f\n", buf.timestamp, buf.temperature);
16        
17        rt_ringbuffer_put(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)str_data, strlen(str_data));
18        
19        rt_event_send(recvdata_event, WRITE_EVENT);
20    }
21    rt_thread_mdelay(30);
22}

在DFS_thread 線程中，通過接收兩次事件，並設置接收事件的超時時間，達到計時的目的：

1\while (1)
2{
3    
4    if (rt_event_recv(recvdata_event, WRITE_EVENT, RT_EVENT_FLAG_OR | RT_EVENT_FLAG_CLEAR, RT_WAITING_FOREVER, &set) != RT_EOK)
5        continue;
6    do
7    {
8        
9        if (rt_event_recv(recvdata_event, WRITE_EVENT, RT_EVENT_FLAG_OR | RT_EVENT_FLAG_CLEAR, rt_tick_from_millisecond(1000), &set) == RT_EOK)
10        {
11            
12            if (rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf) > THRESHOLD)
13            {
14                
15                recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
16                if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
17                {
18                    while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
19                    {
20                        size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, THRESHOLD);
21                        fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
22                    }
23                    fclose(recvdatafile_p0);
24                }
25            }
26            
27            continue;
28        }
29        
30        recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
31        if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
32        {
33            while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
34            {
35                size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, THRESHOLD);
36                fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
37            }
38            fclose(recvdatafile_p0);
39        }
40    } while(0);
41}

這樣就盡最大力度的解決了掉電丟失數據的可能了。當然，第二次接收事件的超時時間可以根據自己需求設定長短。
為了更進一步便於大家學習，第三周任務的代碼已經開源啦~項目地址：https://github.com/willianchanlovegithub/DIY_projects_base_on_RT-Thread（由於微信無法插入外部連結，請將以上連結複製至外部瀏覽器打開）

第三周的源碼中，只上傳了兩個 demo 工程，均是本次 DIY 中接收節點的代碼

發送節點的代碼，在第二周的 demo 工程中有，這裡不再重複上傳相同 demo 工程

SPI Flash 的 sector 大小為 4096 字節，需要在 menuconfig 中修改：

SD Card 的 sector 大小為 512 字節，需要在 menuconfig 中修改：

 

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