智能家居 DIY 教程连载(3)

本文将从 SPI Flash 和 SD Card 两方面给大家讲解如何使用文件系统,以及针对本次 DIY 做出的一些优化,会大大增强系统性能。

本次任务

  • 了解 RT-Thread 文件系统,在接收节点中使用文件系统,存放来自发送节点发送过来的数据。

上述任务比较单一,只是文件系统而已。不过,能巧妙灵活的把文件系统用好用对,可不是一件轻松的事情。

RT-Thread 文件系统简要介绍

DFS 是 RT-Thread 提供的虚拟文件系统组件,全称为 Device File System,即设备虚拟文件系统,文件系统的名称使用类似 UNIX 文件、文件夹的风格。

RT-Thread DFS 组件的主要功能特点有:

  • 为应用程序提供统一的 POSIX 文件和目录操作接口:read、write、poll/select 等。

  • 支持多种类型的文件系统,如 FatFS、RomFS、DevFS 等,并提供普通文件、设备文件、网络文件描述符的管理。

  • 支持多种类型的存储设备,如 SD Card、SPI Flash、Nand Flash 等。

DFS 的层次架构如下图所示,主要分为 POSIX 接口层、虚拟文件系统层和设备抽象层。如下图:

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DFS 的更多内容,这里不过多赘述,点击此处跳转

在 SPI Flash 上使用文件系统

准备工作

以正点原子的潘多拉开发板 (Iot Board) 为例,教大家在 SPI Flash 上使用文件系统。

值得一提的是,RT-Thread 已经将 libc 那套文件系统接口对接到 DSF 上了,在 env 工具中开启 libc 和 DFS 即可,本次教程使用 libc 的那套接口进行文件的打开/关闭、读取/写入。

在 menuconfig 中开启 libc:

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

在 meunconfig 中开启 DFS,本教程使用 elmfatfs 文件系统,需要将 elmfatfs 挂载到 RT-Thread 的 DFS 上,所以 elmfatfs 也要开启:

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

当然,不要忘记在 meunconfig 中开启 SPI Flash:

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

潘多拉开发板上的 SPI Flash 使用的是 QSPI 接口,还需要在 meunconfig 中把 QSPI 接口开启:

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

退出 menuconfig 后需要输入 “scons --target=mdk5” 更新工程。

文件系统的挂载

本次 DIY 使用的文件系统是 elmfatfs,elmfatfs 需要在块设备上才能进行文件操作。潘多拉板子上的 SPI Flash 是 W25Q128,我们需要将 W25Q128 注册成块设备,才能使用 elmfatfs 进行文件操作。如下示例代码:

static int rt_hw_qspi_flash_with_sfud_init(void)
{
    stm32_qspi_bus_attach_device("qspi1", "qspi10", RT_NULL, 4, w25qxx_enter_qspi_mode, RT_NULL);
    if (RT_NULL == rt_sfud_flash_probe("W25Q128", "qspi10"))
        return -RT_ERROR;
    return RT_EOK;
}
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_qspi_flash_with_sfud_init);

在 FinSH 中输入 “list_decive”,即可看到 W25Q128 注册成了块设备了,并挂载在 QSPI 上:

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W25Q128 注册成了块设备后,就能将 elmfatfs 这个文件系统挂载到 RT-Thread 的 DFS 上了,如下示例代码:

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

文件操作

到此为止,我们就可以使用 libc 的接口进行文件操作了,将接收到的数据以文件方式存放到 W25Q128 里面去,举个简单的例子,如下示例代码:

FILE *recvdata_p0;
recvdata_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "a+");
if (recvdata_p0 != RT_NULL)
{
    fputs((char *)RxBuf_P0, recvdata_p0);
    fputs("\n", recvdata_p0);
    fclose(recvdata_p0);
}

在 Finsh 中输入 “ls” 可以查看当前文件系统中的文件目录,如下图:

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输入 “cat XXX” 可以查看文件内容,如下图:

board

简单的几步就可以进行文件操作了,RT-Thread 的文件系统还是相当易用的。

在 SD Card 上使用文件系统

准备工作

以正点原子的潘多拉开发板 (Iot Board) 为例,教大家在 SD Card 上使用文件系统。

和上面的 SPI Flash 一样,在 menuconfig 中开启相关选项:SD Card,SPI(潘多拉板子的 SD 卡是用 SPI 驱动的而不是 SDIO),libc,DFS,elmfatfs。

文件系统的挂载

与 SPI Flash 一样,需要将 SD Card 注册成块设备,才能挂载文件系统。如下示例代码:

static int rt_hw_spi1_tfcard(void)
{
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    rt_hw_spi_device_attach("spi1", "spi10", GPIOC, GPIO_PIN_3);
    return msd_init("sd0", "spi10");
}
INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_spi1_tfcard);

在 FinSH 中输入 “list_decive”,即可看到 SD Card 注册成了块设备了,并挂载在 SPI 上:

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SD Card 注册成了块设备后,就能将 elmfatfs 这个文件系统挂载到 RT-Thread 的 DFS 上了,如下示例代码:

dfs_mount("sd0", "/", "elm", 0, 0)

需要注意的是,如果大家手头的板子是使用 SDIO 接口来驱动 SD Card 的,那么将 SD Card 注册成块设备将不用我们操心,RT-Thread 源码中的 “...rt-thread\components\drivers\sdio\block_dev.c” 文件中,会将 SD Card 注册成块设备的。当然,文件系统的挂载还是需要我们手动敲代码去实现的。

文件操作

与 SPI Flash 一样,可以直接使用 libc 的接口进行文件操作,如下示例代码:

FILE *recvdata_p0;
recvdata_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "a+");
if (recvdata_p0 != RT_NULL)
{
    fputs((char *)RxBuf_P0, recvdata_p0);
    fputs("\n", recvdata_p0);
    fclose(recvdata_p0);
}

针对本次 DIY 的一些优化

优化1

将文件系统用起来,进行文件操作,是一件相对比较容易的事情。不过当将文件系统运用到实际项目中的时候,往往会因为一些需求或者说是其他因素,导致事情不那么好办。就拿这个 DIY 来说,如果就像上面的示例代码这么用文件系统,虽然系统能正常工作,但是会带来一些问题:

  • 众所周知,文件的操作是需要占用大量时间和资源的,通俗来说就是慢,像文件的读,写,打开,创建等,都是比较慢的。如果发送节点发数据过来,接收节点每收到一条数据,就用文件系统记录这个数据,这样会导致系统性能下降。如何保证减少文件操作次数,提高系统性能,又能保证每条数据都不丢失呢?

这里使用 ringbuffer 来避免这个问题。

ringbuffer 是一种先进先出的 FIFO 环形缓冲区,DIY 的接收节点工程中,我们创建了两个线程去工作,一个是 nrf24l01_thread 线程,用于接收来自发送节点的数据,另一个是 DFS_thread 线程,用于利用文件系统保存数据的。并且创建一个 4KB 大小的一个 ringbuffer:

static struct rt_ringbuffer *recvdatabuf;
recvdatabuf = rt_ringbuffer_create(4069); /* ringbuffer的大小是4KB */

每当 nrf24l01_thread 线程接收到一条数据,就存放到 ringbuffer 中去:

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

DFS_thread 线程中,我们设置一个 ringbuffer 的阈值,这里我将阈值设置成了 ringbuffer 大小的一半,当写入的数据达到了 ringbuffer 的阈值之后,就将 ringbuffer 中所有的数据统统写入文件中去:

/* 判断写入的数据大小到没到所设置的ringbuffer的阈值 */
if (rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf) > (4096 / 2))
{
    /* 到阈值就直接写数据 */
    recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
    if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
    {
        while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
        {
            size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, (4096 / 2));
            fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
        }
        fclose(recvdatafile_p0);
    }
}

这么做,就可以尽可能的减少了文件的操作,提高了系统的性能,同时又保证每一条数据都不会丢失。

优化2

结合上述的优化1,再仔细想想的话,发现还有另一个问题:

  • 如果发送节点很久很久才发数据过来,或者说是接收节点很久很久才收到数据,那么 ringbuffer 要很久很久才能到阈值。如果这时候,已经写了整整一天的数据进 ringbuffer 中了,只差一点点就要到阈值了,很快就可以将数据写入到文件中去了,这时候偏偏断电了!整整一天的数据白白丢失了,心痛吗?

当然,掉电丢数据这种情况是不可以避免的,但是我们可以通过一些算法优化(姑且叫它算法吧),尽可能的减少丢失数据的可能。

解决思路是:定个固定时间,计时,如果时间一到,此时数据还没写满 ringbuffer 的阈值,这时候就不管数据到没到阈值了,直接将 ringbuffer 里的数据全部写入文件中去。要实现这个思路需要搭配事件集 (event) 使用。

nrf24l01_thread 线程中,每收到一个数据,就发送一个事件:

while (1)
{
    if (!rx_pipe_num_choose())
    {
        /* 通过sscnaf解析收到的数据 */
        if(sscanf((char *)RxBuf_P0, "%d,+%f", &buf.timestamp, &buf.temperature) != 2)
        {
            /* 通过sscnaf解析收到的数据 */
            if(sscanf((char *)RxBuf_P0, "%d,-%f", &buf.timestamp, &buf.temperature) != 2)
            {
                continue;
            }
            buf.temperature = -buf.temperature;
        }
        sprintf(str_data, "%d,%f\n", buf.timestamp, buf.temperature);
        /* 将数据存放到ringbuffer里 */
        rt_ringbuffer_put(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)str_data, strlen(str_data));
        /* 收到数据,并将数据存放到ringbuffer里后,才发送事件 */
        rt_event_send(recvdata_event, WRITE_EVENT);
    }
    rt_thread_mdelay(30);
}

DFS_thread 线程中,通过接收两次事件,并设置接收事件的超时时间,达到计时的目的:

while (1)
{
    /* 接收感兴趣的事件WRITE_EVENT,以永久等待方式去接收 */
    if (rt_event_recv(recvdata_event, WRITE_EVENT, RT_EVENT_FLAG_OR | RT_EVENT_FLAG_CLEAR, RT_WAITING_FOREVER, &set) != RT_EOK)
        continue;
    do
    {
        /* 接收感兴趣的事件WRITE_EVENT,以1000ms超时方式接收 */
        if (rt_event_recv(recvdata_event, WRITE_EVENT, RT_EVENT_FLAG_OR | RT_EVENT_FLAG_CLEAR, rt_tick_from_millisecond(1000), &set) == RT_EOK)
        {
            /* 判断写入的数据大小到没到所设置的ringbuffer的阈值 */
            if (rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf) > THRESHOLD)
            {
                /* 到阈值就直接写数据 */
                recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
                if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
                {
                    while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
                    {
                        size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, THRESHOLD);
                        fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
                    }
                    fclose(recvdatafile_p0);
                }
            }
            /* 阈值没到就继续接收感兴趣的事件WRITE_EVENT,以1000ms超时方式接收 */
            continue;
        }
        /* 1000ms到了,还没有收到感兴趣的事件,这时候不管到没到阈值,直接写 */
        recvdatafile_p0 = fopen("recvdata_p0.csv", "ab+");
        if (recvdatafile_p0 != RT_NULL)
        {
            while(rt_ringbuffer_data_len(recvdatabuf))
            {
                size = rt_ringbuffer_get(recvdatabuf, (rt_uint8_t *)writebuffer, THRESHOLD);
                fwrite(writebuffer, 1, size, recvdatafile_p0);
            }
            fclose(recvdatafile_p0);
        }
    } while(0);
}

这样就尽最大力度的解决了掉电丢失数据的可能了。当然,第二次接收事件的超时时间可以根据自己需求设定长短。

开源代码

为了更进一步便于大家学习,本次任务的代码已经开源啦~ 请点击这里查看请给这个项目点个小星星 (Star) ^_^

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注意事项

  • 源码中,只上传了两个 demo 工程,均是本次 DIY 中接收节点的代码。RECEIVE(stm32l475-atk-pandora)(SD_Card) 是在 SD Card 上使用文件系统的 demo,RECEIVE(stm32l475-atk-pandora)(SPI_Flash) 是在 SPI Flash 上使用文件系统的 demo。

  • 发送节点的代码,在上一次任务的 demo 工程中有,这里不再重复上传相同 demo 工程

  • SPI Flash 的 sector 大小为 4096 字节,需要在 menuconfig 中修改:

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  • SD Card 的 sector 大小为 512 字节,需要在 menuconfig 中修改:

board

  • 本次任务基于 ...rt-thread/bsp/stm32/stm32l475-atk-pandora 这个 bsp 完成的。

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