Build MicroPython Block‑Device: Abstract Interface to FAT Mount
Practical tutorial for MicroPython custom block‑device and FAT filesystem
COMPONENTS
PROJECT DESCRIPTION
【Preliminary Note】The original hardware example in this article was written based on the RP2040. The actual hardware used in this hands-on demonstration features the W55RP20 as the main controller chip. The circuit logic and UF2 flashing operation principles are universally applicable, with only the main controller model differing. The original chip model mentioned in the circuit descriptions below is provided for reference purposes only.
- Implementation of block‑device abstract base class
As introduced earlier, MicroPython does not provide ready‑to‑use block‑device functions, but it supplies an abstract block‑device interface class. Custom block‑device classes must conform to interfaces defined in vfs.AbstractBlockDev to perform file and storage‑device operations under the Virtual File System (VFS).
Below is a simple RAM‑backed block‑device demo implementation (not for production use, for demonstration only):
class RAMBlockDev:
def __init__(self, block_size, num_blocks):
self.block_size = block_size
self.data = bytearray(block_size * num_blocks)
def readblocks(self, block_num, buf):
for i in range(len(buf)):
buf[i] = self.data[block_num * self.block_size + i]
def writeblocks(self, block_num, buf):
for i in range(len(buf)):
self.data[block_num * self.block_size + i] = buf[i]
def ioctl(self, op, arg):
if op == 4: # get number of blocks
return len(self.data) // self.block_size
if op == 5: # get block size
return self.block_size
vfs.AbstractBlockDev is an abstract base class defining mandatory interfaces for block devices. Any custom block‑device class must implement these methods so it can be used with filesystems such as littlefs and fatfs via VFS. The RAMBlockDev class is a concrete implementation following vfs.AbstractBlockDev interface. It simulates block‑device read / write operations using RAM as storage medium and provides corresponding ioctl methods to query block count, block size and other device information.
In the following example we create file AbstractBlockDevInterface.py to hold the abstract base‑class code:
# Python env : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2024/9/18 12:15 PM
# @Author : Li Qingshui
# @File : AbstractBlockDevInterface.py.py
# @Description : Define AbstractBlockDev abstract base class for block‑device interface
# ======================================== Import related modules =========================================
# ======================================== Global variables ============================================
# ======================================== Function definitions ============================================
# ======================================== Custom classes ============================================
# Custom abstract base class AbstractBlockDev defining MicroPython‑compliant block‑device interface
class AbstractBlockDev:
"""
AbstractBlockDev class implements MicroPython‑standard block‑device operation interface.
This abstract base class supports simple block‑aligned interface and extended interface with arbitrary offset,
compatible with MicroPython filesystem drivers such as FAT and littlefs. Implementations must at least
support ioctl(4) for block‑count query. littlefs additionally requires ioctl(6) block‑erase support.
Attributes:
(to be implemented by concrete subclasses)
block_size (int): Block size in bytes, normally exposed via ioctl(5)
block_count (int): Total number of blocks, normally exposed via ioctl(4)
Methods:
__init__():
Constructor for abstract block‑device base class
readblocks(block_num, buf, offset=0):
Read data blocks from device into buffer
writeblocks(block_num, buf, offset=0):
Write data or erase blocks on device
ioctl(op, arg):
Device control and parameter query operations
Note:
- Simple interface: buffer length aligned to block size (offset=0)
- Extended interface: support arbitrary offset and length (offset≠0)
- Write rules:
- Simple interface must handle erase implicitly
- Extended interface must NOT perform implicit erase
"""
# Standard ioctl operation‑code class constants
IOCTL_INIT = 1 # Device initialization
IOCTL_SHUTDOWN = 2 # Device shutdown
IOCTL_SYNC = 3 # Data sync / flush
IOCTL_BLK_COUNT = 4 # Get total block count (mandatory)
IOCTL_BLK_SIZE = 5 # Get block size (optional)
IOCTL_BLK_ERASE = 6 # Block erase (required by littlefs)
def __init__(self) -> None:
"""
Abstract block‑device base‑class initializer.
Args:
None
Returns:
None
Note:
- ioctl(4) block‑count query must be implemented
- littlefs deployment needs extra ioctl(6) block‑erase support
"""
pass
def readblocks(self, block_num: int, buf: bytearray, offset: int = 0) -> None:
"""
Read data blocks from physical device into buffer.
Args:
block_num (int): Starting block index (zero‑based)
buf (bytearray): Destination bytearray buffer for incoming data
offset (int, optional): Byte offset inside target block, default 0 for full‑block read
Returns:
None
Raises:
OSError: ENODEV for invalid block_num
OSError: EIO for read failure
NotImplementedError: Extended interface not implemented when offset≠0
"""
raise NotImplementedError("sub class must implement this method")
def writeblocks(self, block_num: int, buf: bytearray | None, offset: int = 0) -> None:
"""
Write data to block device.
Args:
block_num (int): Target block index (zero‑based)
buf (bytearray | None): Data to write; None means erase target block
offset (int, optional): Byte offset inside target block, default 0 for full‑block write
Returns:
None
Raises:
OSError: ENODEV for invalid block_num
OSError: EIO for write failure
OSError: EROFS for read‑only device
NotImplementedError: Extended interface not implemented when offset≠0
"""
raise NotImplementedError("sub class must implement this method")
def ioctl(self, op: int, arg: int) -> int | None:
"""
Device control operation entry point.
Args:
op (int): Operation code (use class constants):
- AbstractBlockDev.IOCTL_INIT (1) : device init
- AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN (2) : device shutdown
- AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC (3) : data sync
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT (4) : get total block count (mandatory)
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE (5) : get block size (optional)
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE (6) : erase block (required for littlefs)
arg (int): Operation‑specific argument.
- IOCTL_BLK_ERASE (6) takes block‑number to erase
- Other ops accept 0 or None as argument
Returns:
int | None:
- IOCTL_BLK_COUNT (4): return total block count as int
- IOCTL_BLK_SIZE (5) : return block size as int
- IOCTL_BLK_ERASE (6): return 0 on successful erase
- Other operations default return None
Raises:
NotImplementedError: method not implemented by subclass
"""
raise NotImplementedError("sub class must implement this method")
# ======================================== Initialization ==========================================
# ======================================== Main program ===========================================
This class unifies operation interfaces for various storage media such as Flash, RAM and SD‑cards while meeting driver requirements for FAT / littlefs filesystems. It supports both simple block‑aligned interface and extended arbitrary‑offset interface.
Class method definitions follow official MicroPython documentation requirements:
readblocks and writeblocks declare offset as optional parameter to support non‑block‑aligned access. Standard ioctl op‑codes are defined as class attributes:
# Standard ioctl operation‑code class constants
IOCTL_INIT = 1 # Device initialization
IOCTL_SHUTDOWN = 2 # Device shutdown
IOCTL_SYNC = 3 # Data sync / flush
IOCTL_BLK_COUNT = 4 # Get total block count (mandatory)
IOCTL_BLK_SIZE = 5 # Get block size (optional)
IOCTL_BLK_ERASE = 6 # Block erase (required for littlefs)
- Implementation of RAM block‑device class
Concrete block‑device classes (RAM block device, SD‑card driver etc.) inherit from vfs.AbstractBlockDev and implement its abstract methods. The example below implements RAMBlockDev in separate source file.
# Python env : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2024/9/18 12:15 PM
# @Author : Li Qingshui
# @File : ram_block_dev.py.py
# @Description : Inherit AbstractBlockDev, implement RAM‑based block‑device with read/write and ioctl control
# ======================================== Import related modules =========================================
# Import abstract base class for virtual‑filesystem block device
from AbstractBlockDevInterface import AbstractBlockDev
# ======================================== Global variables ============================================
# POSIX‑compliant error‑code constants
ENOERR = 0 # Success
EPERM = 1 # Operation not permitted
EIO = 5 # I/O error
ENODEV = 19 # No such device / invalid block number
EROFS = 30 # Read‑only filesystem
EINVAL = 22 # Invalid argument
# ======================================== Function definitions ============================================
# ======================================== Custom classes ============================================
class RAMBlockDev(AbstractBlockDev):
"""
RAM‑emulated block‑device implementation using bytearray as storage backend
Attributes:
block_size (int): Bytes per block (read‑only)
num_blocks (int): Total block count (read‑only)
initialized (bool): Device initialization status flag
"""
def __init__(self, block_size: int, num_blocks: int) -> None:
"""
Initialize RAM‑backed block device
Args:
block_size (int): Bytes per block, must be ≥512
num_blocks (int): Total block count, must be ≥1
Raises:
ValueError: block_size <512 or num_blocks <1
"""
if block_size < 512:
raise ValueError("Block size must be ≥512 bytes")
if num_blocks < 1:
raise ValueError("At least 1 block required")
self.block_size = block_size
self.num_blocks = num_blocks
self.data = bytearray(block_size * num_blocks)
self.initialized = False
def readblocks(self, block_num: int, buf: bytearray, offset: int = 0) -> None:
"""
Read data from block device (extended‑interface support)
Args:
block_num (int): Zero‑based starting block index
buf (bytearray): Receive‑data destination buffer
offset (int): Byte offset within target block, default 0
Returns:
None
Raises:
OSError: ENODEV if block_num out‑of‑range
OSError: EIO if read crosses block boundary
"""
if not 0 <= block_num < self.num_blocks:
raise OSError(ENODEV)
start = block_num * self.block_size + offset
end = start + len(buf)
if end > (block_num + 1) * self.block_size:
raise OSError(EIO)
buf[:] = self.data[start:end]
def writeblocks(self, block_num: int, buf: bytearray | None, offset: int = 0) -> None:
"""
Write data to block device, support block‑erase operation
Args:
block_num (int): Zero‑based target block index
buf (bytearray|None): payload bytes; None means erase whole block (offset must equal zero)
offset (int): Byte offset inside target block, default 0
Returns:
None
Raises:
OSError: ENODEV if block_num out‑of‑range
OSError: EIO if write crosses block boundary
OSError: EINVAL if erase invoked with offset≠0
"""
if not 0 <= block_num < self.num_blocks:
raise OSError(ENODEV)
if buf is None:
if offset != 0:
raise OSError(EINVAL)
start = block_num * self.block_size
end = (block_num + 1) * self.block_size
self.data[start:end] = bytes(self.block_size)
return
start = block_num * self.block_size
end = start + len(buf)
if end > (block_num + 1) * self.block_size:
raise OSError(EIO)
self.data[start:end] = buf
def ioctl(self, op: int, arg: int | None = None) -> int | None:
"""
Device control operation handler
Args:
op (int): Operation code using class constants
- AbstractBlockDev.IOCTL_INIT (1) : initialize device
- AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN (2) : shut down device
- AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC (3) : sync data
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT (4) : query total block count
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE (5) : query block size
- AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE (6) : erase specified block
arg (int | None, optional): argument for selected op.
- IOCTL_BLK_ERASE (6): pass target block‑number
- Other ops accept None or zero
Returns:
int | None:
- IOCTL_BLK_COUNT (4): total block‑count integer
- IOCTL_BLK_SIZE (5): block‑size integer
- IOCTL_BLK_ERASE (6): return zero after successful erase
- Other ops return zero or None
Raises:
OSError: ENODEV when erase‑target block‑number out‑of‑bounds
OSError: EPERM for unsupported op‑code
"""
if op == AbstractBlockDev.IOCTL_INIT:
self.initialized = True
return 0
elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN:
self.initialized = False
return 0
elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC:
return 0
elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT:
return self.num_blocks
elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE:
return self.block_size
elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE:
if arg is None:
raise OSError(ENODEV)
block_num = arg
if 0 <= block_num < self.num_blocks:
start = block_num * self.block_size
end = (block_num+1)*self.block_size
self.data[start:end] = bytes(self.block_size)
return 0
else:
raise OSError(ENODEV)
else:
raise OSError(EPERM)
# ======================================== Initialization ==========================================
# ======================================== Main program ===========================================
RAMBlockDev simulates block‑device hardware backed by in‑memory bytearray:
- Constructor allocates contiguous bytearray buffer representing storage space
- Implements
readblocks(),writeblocks(),ioctl()for full MicroPython VFS compatibility - Processes control / query commands according to op‑codes, supporting init, sync, erase etc.
Blocks are mapped into one continuous bytearray:
self.data = bytearray(block_size * num_blocks)
Block‑N starting address formula: start address of block N = N * block_size.
Inside readblocks() workflow:
- Calculate start offset:
start = block_num * self.block_size + offset - Calculate end offset:
end = start + len(buf) - Boundary validation:
- Check
block_numrange → raiseOSError(ENODEV)on violation - Ensure
endstays within target block → raiseOSError(EIO)
- Check
- Memory copy:
buf[:] = self.data[start:end]slice assignment avoids extra memory allocation.
writeblocks() follows similar boundary‑check logic. When buf=None it performs block erase by filling target block with all‑zero bytes.
ioctl() executes actions corresponding to input op‑code and argument:
IOCTL_INIT(1): setself.initialized = TrueIOCTL_SHUTDOWN(2): setself.initialized = FalseIOCTL_SYNC(3): RAM writes take immediate effect, simply return 0IOCTL_BLK_COUNT(4): returnnum_blocksfor filesystem queriesIOCTL_BLK_SIZE(5): returnblock_sizeIOCTL_BLK_ERASE(6): fill selected block with zero bytes- Unsupported op‑codes raise
OSError(EPERM)
POSIX‑style errno constants defined for system‑call failure indication:
ENOERR = 0No error — operation successEPERM = 1Operation not permittedEIO = 5I/O errorENODEV = 19No such deviceEROFS = 30Read‑only filesystemEINVAL = 22Invalid argument
Further reference material:
https://docs.particle.io/reference/device-os/api/debugging/posix-errors/
- Practical experiment
Demo code located in resource‑package path elegance‑devkit v1\Demo\72 FileSys_BlockDev.
This RAM‑based block‑device can be formatted, mounted as filesystem, create and access files. The example below validates read‑write and control behaviours of RAMBlockDev.
# Python env : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2024/9/18 12:15 PM
# @Author : Li Qingshui
# @File : main.py
# @Description : Test RAMBlockDev read, write and control operations
# ======================================== Import related modules =========================================
from ram_block_dev import RAMBlockDev
import vfs
import time
# ======================================== Global variables ============================================
# ======================================== Function definitions ============================================
# ======================================== Custom classes ============================================
# ======================================== Initialization ==========================================
time.sleep(3)
print("FreakStudio : RAMBlockDev Write and Read Test")
# Create RAM block‑device: 512‑byte block size, total 50 blocks
bdev = RAMBlockDev(512, 50)
# Format block‑device with FAT filesystem
vfs.VfsFat.mkfs(bdev)
# Mount block‑device onto /ramdisk mount‑point
vfs.mount(bdev, '/ramdisk')
# ======================================== Main program ===========================================
# Create and write hello.txt inside virtual ram‑disk
with open('/ramdisk/hello.txt', 'w') as f:
f.write('FreakStudio : Hello World')
# Read‑back and print file content
print(open('/ramdisk/hello.txt').read())
Workflow: create RAM block‑device (512 B block × 50 blocks), format as FAT, mount to /ramdisk. Create hello.txt, write text payload then read content back.
Flash firmware and open serial terminal:
Filesystem and file creation succeed, written content can be read‑back correctly.
Manually inspect raw block‑device content. Allocate 512‑byte bytearray buffer:
buf = bytearray(512)
Read block 0 which holds boot‑sector metadata:
>>> bdev.readblocks(0, buf, 0)
>>> buf
bytearray(b'\xeb\xfe\x90MSDOS5.0\x00\x02\x01\x01\x00\x01\x00\x022\x00\xf8\x01\x00?\x00\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x80\x00).\x00!RNO NAME FAT 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\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00Boot‑sector signature: bytearray(b'\xeb\xfe\x90MSDOS5.0'). The FAT filesystem boot sector starts with \xEB, a short jump instruction used to skip part of the boot‑loader code. \x90 is a filler byte.
OEM identifier: MSDOS5.0, indicating an MSDOS 5.0‑compatible FAT filesystem.
BPB key fields with meanings: \x00\x02 # Bytes per sector (normally 512, i.e. 0x0200) \x01 # Sectors per cluster (1 sector) \x01\x00 # Number of reserved sectors (usually 1) \x01 # Number of FAT tables (usually 2) \x00\x02 # Number of root‑directory entries (32 root‑directory entries) 2\x00\xf8 # Media descriptor (0xF8 denotes fixed‑disk type)
Other fields include hidden‑sector count and sectors‑per‑FAT‑table.
Extended BPB fields: NO NAME for unnamed volume; FAT12 marks the formatted filesystem type.
Boot‑sector end signature: 0x55 0xAA, the end marker for a valid boot sector.
Next read block 1, which holds the FAT‑table data:
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Reserved cluster: \xf8\xff\xff\xff is the FAT reserved cluster (0xFFF8), marking this sector as the FAT media descriptor.
File‑cluster‑chain information: The subsequent bytes \x0f\x00\x00\x00... are FAT entries recording allocated and free clusters. Here cluster 2 holds value 0x000F, meaning the file hello.txt occupies cluster 2 exclusively.
Next we read block 2, which contains the FAT root‑directory area:
bdev.readblocks(2, buf, 0)
buf = bytearray(b'HELLO TXT 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we can see, the verification passes. The content of hello.txt is stored in data block 34.
In practice, the main workflow for filesystem formatting can be summarized as follows:
In practice, the main workflow for filesystem formatting can be summarized as follows:
- Call
bdev.ioctl(4)to get the block count. - Call
bdev.ioctl(5)to get the block size. - Write FAT filesystem metadata to the storage medium, including the boot sector, FAT table, root‑directory area, and other structures.
When writing a file, the following operations are performed:
- The filesystem looks for free clusters (reads the FAT table by calling
bdev.readblocks()). - Allocates the cluster chain and updates the FAT table (by calling
bdev.writeblocks()). - Writes the actual file content.
When reading a file, the following operations are performed:
- Locate the starting cluster of the file via directory entries.
- Call
bdev.readblocks()to read the file data. - Return the content to the application layer.
- Call
bdev.ioctl(4)to get the block count. - Call
bdev.ioctl(5)to get the block size. - Write FAT filesystem metadata to the storage medium, including the boot sector, FAT table, root‑directory area, and other structures.
When writing a file, the following operations are performed:
- The filesystem looks for free clusters (reads the FAT table by calling
bdev.readblocks()). - Allocates the cluster chain and updates the FAT table (by calling
bdev.writeblocks()). - Writes the actual file content.
When reading a file, the following operations are performed:
- Locate the starting cluster of the file via directory entries.
- Call
bdev.readblocks()to read the file data. - Return the content to the application layer.
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