ESP-IDF+vscode开发ESP32第七讲——存储设备读写

前言

一、前提知识

[2.1 文件系统](#2.1 文件系统)

[2.2 FAT文件系统](#2.2 FAT文件系统)

[2.3 POSIX API和VFS](#2.3 POSIX API和VFS)

二、SD卡读写

[2.1 读写模式](#2.1 读写模式)

[2.2 组件依赖](#2.2 组件依赖)

[2.3 sdmmc.c](#2.3 sdmmc.c)

[2.4 sdmmc.h](#2.4 sdmmc.h)

[2.5 main.c](#2.5 main.c)

[2.6 代码解释](#2.6 代码解释)

[2.7 结果展示](#2.7 结果展示)

三、flash读写

[3.1 flash.c](#3.1 flash.c)

[3.2 flash.h](#3.2 flash.h)

[3.3 main.c](#3.3 main.c)

[3.4 结果展示](#3.4 结果展示)

前言

本章基于第一章的模板工程，完成对flash设备和sd卡设备的读写，开发板是微雪的**ESP32-P4-Module-DEV-KIT。**本章代码实现比较简单，但涉及的知识概念比较多。

开发环境是VScode+ESP-IDF6.0，开发芯片是ESP32P4。

一、前提知识

2.1 文件系统

文件系统就是存储设备的管家，没有文件系统去管理存储设备，我们对存储设备的读写只能按地址去寻找数据，非常繁琐。有了文件系统的加持，就能像电脑的盘管理一样，具有文件夹、文件等格式存储数据，读写非常便捷。

主流的文件系统如下：

NTFS（Windows 电脑本地硬盘）

特点：支持大文件、权限加密、日志防损坏、压缩、快照
用处：电脑 C 盘、D 盘、内置机械硬盘、固态硬盘

exFAT（U 盘 / SD 卡大容量）

FAT32 升级版
支持超过 4GB 单个文件，没有文件数量限制
用处：大 U 盘、移动硬盘、相机存储卡
兼容：Windows、Mac、手机、大部分数码设备

FAT32（老 U 盘 / 相机 / 单片机）

结构最简单，所有设备万能兼容
缺点：单个文件最大只能 4GB
用处：行车记录仪、TF 卡、STM32/ESP32 嵌入式、老相机、启动盘

APFS（Mac 苹果电脑专用）

ext4（Linux 主流文件系统）

F2FS（手机安卓内置存储）

ISO、UDF（光盘专用）

本文的SD存储管理要使用的就是FAT文件系统

2.2 FAT文件系统

FAT 是微软早期开发、结构极简、全平台通用 的老式磁盘文件系统，以一张文件分配链表管理所有存储簇，是 U 盘、SD 卡、相机、嵌入式设备通用格式。

主流版本：FAT12（软盘）→ FAT16（老硬盘）→ FAT32（U 盘 / 存储卡主流）

主要作用： 管理磁盘空间分配，让系统快速**读写、删除、新建文件；**超强跨设备兼容。

ESP-IDF 使用 FatFs 库来实现 FAT 文件系统。FatFs 是日本开源轻量FAT32/FAT16 软件库，纯 C 编写，无操作系统也能用，它的特点如下：

作用：解析 FAT 表、管理 SD 卡 / Flash 簇、文件读写、目录遍历
场景：STM32、ESP32、单片机裸机、RT-Thread、FreeRTOS，读写 SD/U 盘

FatFs是非常底层的FAT 文件系统驱动库，直接使用代码可移植性差、环境依赖度高、复杂性强。所以一般借助 C 标准库和 POSIX API 通过 VFS（虚拟文件系统）使用 FatFs 库的大多数功能。

2.3 POSIX API和VFS

POSIX 是全行业通用标准文件操作函数规范**，**Linux、安卓、Mac、服务器、RTOS 统一遵守这套规则。

文件操作API固定长这样：open() read() write() close()

目录操作API固定长这样：opendir() readdir()

使用POSIX API：一套代码，Linux、开发板、服务器通用，不用学各家乱七八糟私有函数。

VFS 是统一中转接口层，硬盘、SD 卡、Flash、U 盘，它们底层文件系统都不一样，那每个读写函数都不一样。VFS 做了一层统一外壳，不管底下是什么文件系统，上层调用格式永远一样。

它们之间的关系为：

虚拟文件系统VFS屏蔽实际文件系统差异，使不同文件系统的接口统一。接着POSIX去调用这些统一的接口完成你需要的读写等操作。这种方式下，所有不同存储设备在不同系统下都能使用同一套代码去运行。极大的提高了复用性。

当然直接使用FatFs 与 VFS可可以完成存储设备的驱动，只是无法使用类似这些open() read() write() close()函数，不过不同设备也会提供属于他的同功能的接口函数，这种用法在嵌入式中非常常见。

二、SD卡读写

2.1 读写模式

SD卡有SDMMC 模式和SPI 模式两种模式，如下：

SDMMC 模式：SD 卡原生高速并行总线协议，ESP 专用硬件控制器
SPI 模式：通用串行串口协议，把 SD 卡模拟成 SPI 从设备，所有 MCU 通用

对比维度	SDMMC 4 线 / 1 线模式	SPI 模式
引脚数量	4 线：CLK+CMD+4 条 DATA 1 线：CLK+CMD+1 条 DATA	仅 4 根：SCK+MOSI+MISO+CS
读写速度	极高：最高～20MB/s（UHS 模式可达 100MB/s）	很低：最高～1~2MB/s，日常稳定 1MHz
硬件依赖	ESP 专属 SDMMC 硬件外设，必须对应芯片专用引脚	通用 SPI 外设，任意 GPIO 都能重映射
电压要求	≤20MHz：3.3V 超高速 UHS：必须 1.8V 电平	永远只用 3.3V
信号稳定性	对线长、布线、供电、干扰极度敏感	超强抗干扰！面包板飞线随便接都稳
SD 卡兼容性	只支持正规 SD/SDHC/SDXC 卡	几乎所有 TF/SD 卡全兼容
文件寿命	高频写入损耗更低	普通

我的开发板上有专用SD卡座，故可以使用sdmmc模式。

2.2 组件依赖

bash 复制代码

idf_component_register(SRCS "msdmmc.c"
                    INCLUDE_DIRS "include"
                    PRIV_REQUIRES fatfs esp_driver_sdmmc sdmmc console)

2.3 sdmmc.c

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include "msdmmc.h"
#include "driver/sdmmc_host.h"
#include "esp_vfs_fat.h"
#include "sdmmc_cmd.h"
#include "sd_protocol_types.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_console.h"

static const char *TAG = "MSDMMC";
#define base_path "/sdcard"
static esp_err_t sdmmc_write_file(int argc, char **argv);
static esp_err_t sdmmc_read_file(int argc, char **argv);
void SDMMC_init(void)
{
    sdmmc_host_t host = SDMMC_HOST_DEFAULT();
    sdmmc_slot_config_t slot_config = SDMMC_SLOT_CONFIG_DEFAULT();
    slot_config.clk = sd_clk;
    slot_config.cmd = sd_cmd;
    slot_config.d0 = sd_d0;
    slot_config.d1 = sd_d1;
    slot_config.d2 = sd_d2;
    slot_config.d3 = sd_d3;
    slot_config.width = 4;
    esp_vfs_fat_mount_config_t mount_config = {
        .format_if_mount_failed = true,
        .max_files = 5,
        .allocation_unit_size = 18 * 1024
    };
    sdmmc_card_t *card = NULL;
    ESP_ERROR_CHECK(esp_vfs_fat_sdmmc_mount(base_path, &host, &slot_config, &mount_config, &card));
    sdmmc_card_print_info(stdout, card);
    //esp_vfs_fat_sdcard_unmount(base_path, card);

    esp_console_cmd_t cmd = {
        .command = "write",
        .help = "write file",
        .func = sdmmc_write_file,
    };
    esp_console_cmd_register(&cmd);
    cmd.command = "read";
    cmd.help = "read file";
    cmd.func = sdmmc_read_file;
    esp_console_cmd_register(&cmd);
}

static esp_err_t sdmmc_write_file(int argc, char **argv)
{
    char path[64];
    sprintf(path,"%s/%s" ,base_path ,argv[1]);
    ESP_LOGI(TAG, "Opening file %s", path);
    FILE *f = fopen(path, "w");                 // C 标准库函数,只写模式打开或创建文件
    if (f == NULL) {
        ESP_LOGE(TAG, "Failed to open file for writing");
        return ESP_FAIL;
    }
    fprintf(f, "%s", argv[2]);                  // 向文件中写入字符串
    fclose(f);                                  // 关闭文件
    ESP_LOGI(TAG, "File written");

    return ESP_OK;
}

static esp_err_t sdmmc_read_file(int argc, char **argv)
{
    char path[64];
    sprintf(path,"%s/%s" ,base_path ,argv[1]);
    ESP_LOGI(TAG, "Reading file %s", path);
    FILE *f = fopen(path, "r");                 // C 标准库函数，以只读模式打开文件
    if (f == NULL) {
        ESP_LOGE(TAG, "Failed to open file for reading");
        return ESP_FAIL;
    }
    char line[64];
    fgets(line, sizeof(line), f);               // C 标准库的按行读取字符串函数，从文件中读取sizeof(line)-1个字符，存储在line中
    fclose(f);

    char *pos = strchr(line, '\n');             // 查找换行符
    if (pos) {
        *pos = '\0';                            // 如果换行符存在，则将换行符替换为空
    }
    ESP_LOGI(TAG, "Read from file: '%s'", line);

    return ESP_OK;
}

2.4 sdmmc.h

cpp 复制代码

#ifndef __MSDMMC_H__
#define __MSDMMC_H__

#define  sd_clk  43
#define  sd_cmd  44
#define  sd_d0   39
#define  sd_d1   40
#define  sd_d2   41
#define  sd_d3   42

void SDMMC_init(void);
#endif

2.5 main.c

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include "user.h"
#include "msdmmc.h"

void app_main(void)
{
    CONSOLE_REPL_INIT(); // 初始化控制台REPL环境
    ESP_LDOV4_SET(3300);
    SDMMC_init();
    while(1)
    {
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

2.6 代码解释

代码的实现比较简单，首先用函数esp_vfs_fat_sdmmc_mount一体化完成SD卡的sdmmc驱动和FAT挂载。注意对于结构体sdmmc_slot_config_t，要把预配置引脚编号换成自己实际的引脚编号。完成后可以打印一下sd卡信息。

然后我们使用前面学过的控制台命令创建函数创建sd卡的写命令和读命令，来看效果。

2.7 结果展示

sd卡是支持汉字字符存储的，可是控制台不支持，只要在控制台输出汉字便会卡死。

三、flash读写

ESP32连接flash芯片的方式有两种，一种是通过SPI总线去连接，这种称为外部spi flash，还有一种是通过flash专用管脚连接，这种可称为内部flash。

我使用的ESP32-P4内部没有自带片内flash，那么这个内部flash是必须要连接的，因为esp32有很多底层的参数和固件程序需要存储在flash上。

我们来看一下flash芯片的vfs一体挂载函数，比起上面的sdmmc函数，多了一个分区标签参数partition_label。这代表这想要flash使用FAT文件系统，需要先给flash创建一个分区。
esp_err_t esp_vfs_fat_spiflash_mount_rw_wl(const char *base_path, const char *partition_label, const esp_vfs_fat_mount_config_t *mount_config, wl_handle_t *wl_handle)

功能：类似esp_vfs_fat_sdmmc_mount，用于在 SPI flash中初始化 FAT 文件系统，并将其注册到 VFS 中。
输入参数：
base_path ：FATFS 注册所使用的路径前缀。
partition_label ：应使用的分区标签
mount_config ：指向带有额外参数的结构体的指针，用于挂载 FATFS 系统
输出参数：wl_handle ：磨损补偿驱动器句柄

把Flash当成一整块空白硬盘（相当于电脑装的硬盘），分区就是把这块大硬盘，切成好几个独立小区域（相当于电脑的C盘、D盘等）。大家打开自己电脑的磁盘管理，会发现主硬盘会有好几个不同的盘符，每一个盘符就是分区。

如果是外部spi flash，创建分区得先初始化spi总线、总线添加flash设备、flash初始化、分区创建。如果是内部的flash，只需要分区创建即可。

创建好分区后，挂载在FAT系统，就和sdmmc一样读写即可。这里我偷个懒，目前用不到，就不写这部分程序了。

前面说过，对于ESP32-P4的内部falash，会有底层的参数和固件程序存储在上面，那么必然就已经创建了一些分区，那我们可以查看一下这些分区的信息。

先添加依赖：

bash 复制代码

idf_component_register(SRCS "flash.c"
                    INCLUDE_DIRS "include"
                    REQUIRES spi_flash esp_partition)

3.1 flash.c

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include "flash.h"
#include "esp_flash.h"
#include "esp_partition.h"
#include "esp_log.h"             // ESP32日志函数

static const char *TAG = "FLASH";
void flash_printf(void)
{
    // 先判断驱动是否就绪
    if (esp_flash_chip_driver_initialized(esp_flash_default_chip)) {
        ESP_LOGI(TAG, "Flash 驱动初始化成功");
    }

    // 定义变量
    uint32_t flash_id;
    uint32_t curr_size, phys_size;
    
    // 1. 读取 JEDEC ID
    esp_flash_read_id(esp_flash_default_chip, &flash_id);
    ESP_LOGI(TAG, "Flash JEDEC ID   : 0x%06X", flash_id);

    // 2. 实际使用大小 / 物理芯片容量
    esp_flash_get_size(esp_flash_default_chip, &curr_size);
    esp_flash_get_physical_size(esp_flash_default_chip, &phys_size);

    ESP_LOGI(TAG, "💾 当前系统识别容量 : %u MB (%u 字节)", curr_size / 1024 / 1024, curr_size);
    ESP_LOGI(TAG, "💾 芯片物理总容量   : %u MB (%u 字节)\n", phys_size / 1024 / 1024, phys_size);

    esp_err_t flag;
    esp_partition_iterator_t flash = NULL;
    flag = esp_partition_find_err(ESP_PARTITION_TYPE_ANY, ESP_PARTITION_SUBTYPE_ANY, NULL, &flash);
    if (flag == ESP_OK) {
        while(flash != NULL)
        {
            const esp_partition_t *partition = esp_partition_get(flash);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 标签      : %s", partition->label);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 类型      : %d", partition->type);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 子类型    : %d", partition->subtype);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 地址      : 0x%06X", partition->address);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 分区大小  : %d", partition->size);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 擦除大小  : %d", partition->erase_size);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 加密      : %d", partition->encrypted);
            ESP_LOGI(TAG, "💾 Flash 只读      : %d\n", partition->readonly);
            flash = esp_partition_next(flash);
        }
        esp_partition_iterator_release(flash);
    }
}

3.2 flash.h

cpp 复制代码

#ifndef __FLASH_H__
#define __FLASH_H__

void flash_printf(void);

#endif

3.3 main.c

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include "user.h"
#include "flash.h"
void app_main(void)
{
    CONSOLE_REPL_INIT(); // 初始化控制台REPL环境
    //ESP_LDOV4_SET(3300);
    flash_printf();
    while(1)
    {
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

代码比较简单，都是读取信息，就不解释了

3.4 结果展示

通过flash的ID为0xC84018就能得到很多信息，

0xC8 → 制造商 = GD（兆易创新）
0x4018 → 型号 = GD25Q128（128Mbit = 16MB）

系统识别 = 物理容量 = 16MB，完全一致！说明 Flash 识别完美、接线正确、通讯正常！

系统自动初始化了3个分区

nvs 分区

Flash 标签 : nvs

类型 : 1（数据区）

子类型 : 2（NVS 格式）

地址 : 0x009000

大小 : 24576 字节（24KB）

作用：存 WiFi 密码、配置参数、设备状态

phy_init 分区

Flash 标签 : phy_init

类型 : 1（数据区）

子类型 : 1（PHY 射频参数）

地址 : 0x00F000

大小 : 4096 字节（4KB）

作用：存 WiFi 密码、配置参数、设备状态

factory 分区

Flash 标签 : factory

类型 : 0（APP 程序）

子类型 : 0（固件）

地址 : 0x010000

大小 : 1048576 字节（1MB）

作用：存放你写的固件程序

以上分区都是系统自动创建的，千万不要直接去读写，更不能在这些分区上挂载fat系统，防止系统识别失败。如果需要，一定要写入自己创建的分区中。

还有一种更方便的方法，通过创建partitions.csv，直接再里面写入分区信息即可。同样也可以在该分区文件中修改上面系统自定义分区的一些信息。关于详情可以查看《分区表》