# STM32F4-Base 存储架构说明

## 1. 概述

本 项目在 GD5F2GQ5UE SPI NAND Flash（256MB）上实现了三层存储软件栈：

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    应用程序 (main, freertos)                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                              │
│                         FatFs (文件系统)                      │
│                                                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      dhara FTL                                │
│  (地址映射 · 磨损均衡 · 坏块管理 · 垃圾回收)                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│              GD5F2GQ5UE NAND Flash 驱动 (底层 SPI)           │
│    硬件 SPI · 页读写 · 块擦除 · BBT · 内部 ECC 使能          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│              SPI1 硬件外设 (PB3 SCK, PB4 MISO, PB5 MOSI)     │
│       42MHz · Mode 0 · MSB First · DMA2 (S0-RX, S3-TX)      │
│       小包轮询(≤32B) · 页数据 DMA (>32B)                    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     物理分区布局 (256MB)                      │
│                                                              │
│  ┌─────────────────────────────────────┬───────────────────┐  │
│  │  预留 (128MB)                       │ ftl_fatfs (128MB) │  │
│  │  Block 0~1023                       │ Block 1024~2047   │  │
│  │  未使用                             │ dhara FTL + FatFS │  │
│  └─────────────────────────────────────┴───────────────────┘  │
│  偏移: 0                             128MB            256MB   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

**数据路径：**
- **应用** → `FatFS` → `dhara FTL` → `gd5f2gq5ue 驱动`。FTL 提供 LBA 到物理页的映射、磨损均衡、坏块管理和垃圾回收，FatFS 通过标准 `disk_*` 接口访问 FTL 提供的块设备。

**初始化顺序：**
```
HAL_Init → SystemClock_Config → MX_GPIO_Init → MX_USART1_UART_Init
 → MX_SPI2_Init → MX_SPI1_Init
 → gd5f2gq5ue_init()                // NAND 底层驱动 (含 BBT 扫描 + ECC 使能)
 → app_main_init()                  // 应用层初始化
 → osKernelStart()                  // FreeRTOS 启动
   ├─ defaultTask → f_mount() → 存储测试 + 业务
   ├─ netTask     → 网络协议栈轮询
   ├─ adcTask     → ADC 采集
   └─ rs485Task   → RS485 通信
```

---

## 2. 硬件规格：GD5F2GQ5UE

| 参数 | 值 |
|------|-----|
| 容量 | 256 MB (2 Gb) |
| 页大小 (主区) | 2048 bytes (2 KB) |
| 备校区 (Spare) | 64 bytes/页 |
| 每块页数 | 64 |
| 块大小 | **128 KB** (64 × 2 KB) |
| 总块数 | 2048 |
| 总页面数 | 131072 |
| 内部 ECC | 支持 (每页 8bit ECC) |
| 接口 | SPI (Mode 0, CPOL=0 CPHA=0) |
| 最高时钟 | 42 MHz |
| 读页延迟 | < 60 μs |
| 编程延迟 | < 600 μs |
| 块擦除延迟 | < 3 ms |

**SPI 引脚分配：**

| 信号 | GPIO | 说明 |
|------|------|------|
| CS# | PE0 | 片选 (低有效) |
| SCK | PB3 | SPI1 SCK |
| MISO | PB4 | SPI1 MISO (主入从出) |
| MOSI | PB5 | SPI1 MOSI (主出从入) |
| WP# | PB8 | 写保护 (本驱动恒拉高) |
| HOLD# | PE1 | 保持 (本驱动恒拉高) |

---

## 3. 分区布局

单个分区，配置在 `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/nand_ftl.c`：

```c
#define FTL_FATFS_OFFSET    (128U * 1024U * 1024U)    // 128MB
#define FTL_FATFS_SIZE      (128 * 1024 * 1024)        // 128MB
```

### 3.1 分区对照表

| 分区名 | 偏移 | 大小 | 物理块范围 | 逻辑用途 |
|--------|------|------|-----------|----------|
| 预留 | 0 | 128 MB | Block 0~1023 | 未使用 |
| `ftl_fatfs` | 128 MB | 128 MB | Block 1024~2047 | dhara FTL + FatFS |

### 3.2 配置联动

- **FTL** — `nand_ftl.c` 中 `FTL_START_BLOCK = FTL_FATFS_OFFSET / GD5F_BLOCK_SIZE = 1024`，`FTL_NUM_BLOCKS` 自动适配剩余块数
- **FatFS** — 通过 `disk_ioctl(GET_SECTOR_COUNT)` 获取 FTL 管理的扇区数

> 调整分区大小时只需修改 `nand_ftl.c` 中的 `FTL_FATFS_OFFSET` 宏，下游模块自动适配。

---

## 4. 驱动层：gd5f2gq5ue.c/h

### 4.1 SPI 命令集

| 命令 | 编码 | 用途 |
|------|------|------|
| `WRITE_ENABLE` | `0x06` | 写使能 (每个写/擦除前必须发送) |
| `WRITE_DISABLE` | `0x04` | 写禁止 |
| `GET_FEATURE` | `0x0F` | 读状态/feature 寄存器 |
| `SET_FEATURE` | `0x1F` | 写 feature 寄存器 (前需写使能) |
| `READ_ID` | `0x9F` | 读芯片 ID |
| `PAGE_READ` | `0x13` | 将页数据从存储阵列载入内部缓存 |
| `READ_FROM_CACHE` | `0x0B` | 从内部缓存读取数据 |
| `PROGRAM_LOAD` | `0x02` | 将数据写入内部缓存 |
| `PROGRAM_EXEC` | `0x10` | 将缓存数据编程到存储阵列 |
| `BLOCK_ERASE` | `0xD8` | 块擦除 (128KB) |
| `RESET` | `0xFF` | 芯片复位 |

### 4.2 Feature 寄存器

| 地址 | 名称 | 说明 |
|------|------|------|
| `0xA0` | Protect | 块保护 (写入 `0x00` 解除全部保护) |
| `0xB0` | Feature | ECC 使能 (bit4=1 启用) |
| `0xC0` | Status | 状态标志 (OIP/WEL/E_FAIL/P_FAIL/ECC) |
| `0xD0` | Driver | 驱动强度 |

### 4.3 初始化序列

```
1. RESET (FFh)
    └─ 等待 5ms
2. READ_ID (9Fh)
    └─ 校验 MID=0xC8, DID=0x52
3. BBT 扫描
    └─ 读每块最后一页 (page 63) spare byte 0
    └─ 非 0xFF 即出厂坏块，写入 s_bbt[]
4. SET_FEATURE (B0h=10h) — 使能内部 8bit ECC
5. SET_FEATURE (A0h=00h) — 解除全部块保护
```

### 4.4 读写擦除操作

**页读取**（任何字节偏移均可，驱动自动定位到页）：
```
PAGE_READ (13h + 3字节行地址) → 等待 OIP 清零 → READ_FROM_CACHE (0Bh + 2字节列地址 + dummy)
```

**页编程**（NAND 只能将 bit 从 1→0 翻转，编程前必须擦除）：
```
WRITE_ENABLE → PROGRAM_LOAD (02h + 列地址 + 数据) → PROGRAM_EXEC (10h + 行地址) → 等待完成 → 检查 P_FAIL
```

**块擦除**（最小擦除单位 128KB，参数是字节地址而非块编号）：
```
WRITE_ENABLE → BLOCK_ERASE (D8h + 3字节字节地址) → 等待完成 → 检查 E_FAIL
```

### 4.5 DMA 传输策略（2026-07-21 新增）

SPI1 使用 DMA2 实现页数据级别的不阻塞传输，配置如下：

| 通道 | DMA | 流 | 通道 | 方向 | 优先级 | 模式 |
|------|-----|----|------|------|--------|------|
| SPI1_RX | DMA2 | Stream 0 | CH3 | 外设→内存 | LOW | NORMAL |
| SPI1_TX | DMA2 | Stream 3 | CH3 | 内存→外设 | LOW | NORMAL |

**传输策略：**

- **小包轮询（≤ 32 bytes）**：命令字、地址、状态寄存器等短数据使用 `HAL_SPI_Transmit/Receive` 轮询模式，避免 DMA 初始化开销
- **页数据 DMA（> 32 bytes）**：`READ_FROM_CACHE` 和 `PROGRAM_LOAD` 的页数据段使用 `HAL_SPI_Receive_DMA` / `HAL_SPI_Transmit_DMA`

**HAL 内部路由说明：**

`HAL_SPI_Receive_DMA()` 在 2 线 Master 模式内部调用 `HAL_SPI_TransmitReceive_DMA()`，但由于 SPI 状态设置为 `HAL_SPI_STATE_BUSY_RX`，HAL 的完成回调为 `HAL_SPI_RxCpltCallback`（而非 `TxRxCpltCallback`），需确保该回调在 `gd5f2gq5ue.c` 中实现。

**完整回调链条：**

| 操作 | 触发回调 | 实现位置 |
|------|---------|---------|
| `PROGRAM_LOAD` TX DMA | `HAL_SPI_TxCpltCallback` | `gd5f2gq5ue.c` |
| `READ_FROM_CACHE` RX DMA | `HAL_SPI_RxCpltCallback` | `gd5f2gq5ue.c` |
| 任意外设错误 | `HAL_SPI_ErrorCallback` | `ch395f.c`（含 SPI1 分支） |

**性能（顺序 128KB 读写，FatFS + FTL）：**

| 模式 | 写 | 读 |
|------|----|----|
| 轮询（改造前） | 330 KB/s | 547 KB/s |
| DMA（改造后） | **831 KB/s** | **1855 KB/s** |
| 42MHz SPI 理论极限 | ~5.25 MB/s（受 NAND tPROG ≈ 500μs/页 限制） | ~5.25 MB/s |

DMA 消除了轮询模式下 SPI 状态寄存器查检的逐字节 CPU 开销，读写性能分别提升 **2.5×** 和 **3.4×**。进一步优化需考虑 Cache Read 模式（重叠 NAND 内部 tR 延迟）或批量编程（减少 tPROG 次数）。

### 4.6 BBT (Bad Block Table)

- 初始化时扫描全部 2048 块最后一页的 spare byte 0
- `s_bbt[256]` 位图数组，1 bit 标识 1 个块 (0=好, 1=坏)
- `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block)` — 查询坏块状态
- `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block)` — 标记坏块 (FTL 层在擦除/编程失败时调用)
- `gd5f2gq5ue_bbt_clear()` — 清空 BBT（慎用，仅在重建时使用）
- `gd5f2gq5ue_bbt_rescan()` — 重新扫描并重建 BBT（需 ECC 禁用时调用，见 GD5F2GQ5UE_Trap_Records.md）
- `gd5f2gq5ue_print_bbt()` — 打印 BBT 摘要（调试用）

> **注意**：BBT 只能在 ECC 禁用时扫描（`gd5f_bbt_scan()`），ECC 使能后 spare area 会被 ECC 引擎干扰导致坏块检测不可靠。运行时坏块只来源于真实擦除/编程失败，不要主动重新扫描。

---

## 5. dhara FTL (Flash Translation Layer)

### 5.1 概述

FTL 是 NAND Flash 上方最重要的组件，功能包括：

| 功能 | 说明 |
|------|------|
| **地址映射** | 将 FatFS 的逻辑扇区号 (LBA) 映射到 NAND 物理页 |
| **磨损均衡** | 均匀分布擦除次数，延长芯片寿命 |
| **垃圾回收** | 回收无效页面空间 (GC) |
| **坏块管理** | 擦除/编程失败时自动跳过并标记坏块 |
| **ECC 处理** | 检测和上报硬件 ECC 不可纠正错误 |

### 5.2 数据结构

```c
struct dhara_nand {
    int  log2_page_size;      // 页大小对数 (2KB → 11)
    int  log2_ppb;            // 每块页数对数 (64 → 6)
    int  num_blocks;          // 管理的物理块数 (1024)
};

struct dhara_map {
    // 内部状态：GC 队列、journal、映射表等
};
```

### 5.3 NAND HAL (nand_ftl.c)

dhara 通过 7 个回调函数访问物理 NAND：

| 回调 | 功能 | 对应底层函数 |
|------|------|-------------|
| `dhara_nand_is_bad` | 查询坏块 | `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block + 1024)` |
| `dhara_nand_mark_bad` | 标记坏块 | `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block + 1024)` |
| `dhara_nand_erase` | 擦除块 | `nand_block_erase(block + 1024)` |
| `dhara_nand_prog` | 写页 | `nand_program_load + nand_program_exec` |
| `dhara_nand_read` | 读页 | `nand_page_read_to_cache + nand_read_from_cache` |
| `dhara_nand_is_free` | 检查页空闲 | 读前 64 字节判断全为 0xFF |
| `dhara_nand_copy` | 页拷贝 (GC 用) | read + prog 组合 |

所有回调自动将 dhara 逻辑块/页加 `FTL_START_BLOCK` 偏移转换为物理地址。

### 5.4 初始化流程 (disk_initialize)

```
1. 设置 nand 参数 (log2_page_size=11, log2_ppb=6, num_blocks=1024)
2. dhara_map_init(&s_map, &s_nand, s_page_buf, 4)
   ├─ s_page_buf: dhara 内部使用的 2KB 工作缓冲区
   └─ 4: journal 页面数量 (影响 GC 效率, 增大可减少写入放大)
3. dhara_map_resume(&s_map)
   ├─ 成功: 加载已有映射表
   └─ 失败: dhara_map_clear 创建空映射表
4. 页面缓存初始化 (s_cache_buf, s_cached_lpn, s_cache_dirty)
```

### 5.5 页面缓存策略

FTL 之上还有一个 **单页写回缓存 (write-back cache)**：

- **读命中**: 直接返回 s_cache_buf 数据
- **读未命中**: 刷出脏页 → 读新页到缓存
- **写**: 写入缓存 → 标记脏
- **全页写入**: 直接刷出 (跳过缓存)
- **同步 (CTRL_SYNC)**: 刷出脏页 + dhara_map_sync

---

## 6. FatFS 集成

### 6.1 配置 (ffconf.h)

```c
#define FF_FS_READONLY   0       // 读写模式
#define FF_USE_MKFS      1       // 启用格式化
#define FF_MIN_SS        512     // 最小扇区大小
#define FF_MAX_SS        512     // 最大扇区大小
#define FF_VOLUMES       1       // 单卷
#define FF_FS_TINY       0       // 非 tiny 模式
#define FF_FS_NORTC      1       // 无 RTC (固定时间戳)
```

### 6.2 disk I/O 接口

| 函数 | 功能 | 关键实现 |
|------|------|----------|
| `disk_initialize` | 初始化 FTL | 见 7.4 节 |
| `disk_status` | 查询状态 | 返回初始化状态 |
| `disk_read` | 读扇区 | 通过 FTL 映射读物理页 |
| `disk_write` | 写扇区 | 通过 FTL 映射写 (缓存优化) |
| `disk_ioctl` | 控制命令 | GET_SECTOR_COUNT/SIZE/BLOCK_SIZE + CTRL_SYNC |

### 6.3 容量计算

```
FTL 管理块数 = 1024 (Block 1024~2047)
每块页数 = 64
每页扇区数 (512B) = 4
总扇区数 = 1024 × 64 × 4 = 262144
总容量 = 262144 × 512 = 128MB (原始容量)
FTL 开销后 ≈ 93 MB (随 GC 和 journal 使用量波动)
```

---

## 7. 完整数据流

### 7.1 写文件流程

```
f_write("hello.txt")
  └─ FatFS: 计算 LBA, 写扇区
       └─ disk_write(0, data, sector=100, count=2)
            ├─ 计算 LPN = sector / 4 = 25
            ├─ 缓存未命中 → ftl_flush_cache() → ftl_read_page(25)
            ├─ 拷贝数据到 s_cache_buf → 标记脏
            └─ 全页面写入 → ftl_flush_cache()
                 └─ dhara_map_write(&s_map, 25, s_cache_buf)
                      ├─ 查找页映射 (或分配新页)
                      ├─ dhara_nand_prog(pg, data) → 物理写
                      └─ 更新映射表

f_close → disk_ioctl(CTRL_SYNC)
  └─ ftl_flush_cache() → dhara_map_sync()
       └─ 写 journal 到 NAND (持久化映射表)
```

### 7.2 f_mkfs 格式化流程

```
f_mkfs("", &opts, work, size)
  ├─ disk_initialize(0) → FTL 初始化
  ├─ disk_write: 写入引导扇区 (MBR/PBR)
  ├─ disk_write: 写入 FAT 表
  ├─ disk_write: 创建根目录
  └─ disk_ioctl(CTRL_SYNC) → FTL sync
```

---

## 8. API 参考

### 8.1 底层 NAND 驱动 (gd5f2gq5ue.h)

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `gd5f2gq5ue_init()` | 初始化 NAND (BBT 扫描 + ECC 使能 + 块保护解除) |
| `gd5f2gq5ue_read_id(p_mid, p_did)` | 读芯片 ID |
| `gd5f2gq5ue_read(offset, buf, size)` | 读数据 (支持跨页) |
| `gd5f2gq5ue_write(offset, buf, size)` | 写数据 (支持跨页) |
| `gd5f2gq5ue_erase(offset, size)` | 块擦除 (需块对齐) |
| `gd5f2gq5ue_reset()` | 复位芯片 |
| `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block)` | 查询坏块 |
| `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block)` | 标记坏块 |
| `gd5f2gq5ue_bbt_clear()` | 清空 BBT |
| `gd5f2gq5ue_bbt_rescan()` | 重新扫描 BBT |
| `gd5f2gq5ue_print_bbt()` | 打印 BBT |

**SPI 原语（FTL 和测试共享）：**

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `gd5f_wait_busy(timeout_ms)` | 轮询等待 OIP 清零 |
| `gd5f_write_enable()` | 发送 06h 写使能 |
| `gd5f_read_status(p_status)` | 读状态寄存器 (C0h) |
| `gd5f_page_read(page_addr)` | 页读取 (13h) |
| `gd5f_read_from_cache(column, buf, size)` | 读内部缓存 (0Bh) |
| `gd5f_program_load(column, buf, size)` | PROGRAM LOAD (02h) |
| `gd5f_program_exec(page_addr)` | PROGRAM EXEC (10h) |
| `gd5f_block_erase(block_addr)` | 块擦除 (D8h) |
| `gd5f_check_ecc()` | 检查 ECC 状态位 |

### 8.2 FTL/FatFS (via nand_ftl.c / ff.h)

| 函数 | 说明 |
|------|------|
| `f_mount(&fs, "", 1)` | 挂载文件系统 (首次调用自动初始化 FTL) |
| `f_mkfs("", &opts, work, size)` | 格式化 FAT32 |
| `f_open/f_close/f_read/f_write` | 标准文件操作 |
| `f_unlink("test.txt")` | 删除文件 |
| `disk_initialize(0)` | 显式初始化 FTL (通常由 f_mount 自动调用) |
| `nand_ftl_format()` | 直接格式化 FTL (清空映射表, 慎用) |

---

## 9. 使用示例

### 9.1 FatFS 文件操作

```c
#include "ff.h"

static FATFS fs;

static int fatfs_init(void) {
    FRESULT res = f_mount(&fs, "", 1);
    if (res == FR_NO_FILESYSTEM) {
        /* 首次使用需格式化 */
        MKFS_PARM opts = {FM_FAT32, 0, 0, 0, 0};
        uint8_t work[512];
        res = f_mkfs("", &opts, work, sizeof(work));
        if (res != FR_OK) return -1;
        res = f_mount(&fs, "", 1);
    }
    return (res == FR_OK) ? 0 : -1;
}

static void fatfs_write_read(void) {
    FIL fil;
    UINT bw, br;
    const char *msg = "Hello Storage!";
    char buf[32];

    /* 写文件 */
    f_open(&fil, "data.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
    f_write(&fil, msg, strlen(msg), &bw);
    f_close(&fil);

    /* 读文件 */
    f_open(&fil, "data.txt", FA_READ);
    f_read(&fil, buf, sizeof(buf), &br);
    buf[br] = '\0';
    f_close(&fil);
}
```

### 9.2 FTL 格式化

```c
#include "nand_ftl.h"

/* 注意: 此操作将清空 FTL 分区全部数据, 慎用 */
if (nand_ftl_format() == 0) {
    DBG_INFO("FTL formatted");
}
```

---

## 10. 注意事项

1. **擦除对齐** — `gd5f2gq5ue_erase()` 的 offset 和 size 必须严格按 GD5F_BLOCK_SIZE (128KB) 对齐和整数倍。
2. **写前擦除** — NAND 不能原地覆写，FTL 内部自动管理擦除，但直接调用 `gd5f2gq5ue_write()` 前必须确保目标块已擦除。
3. **FTL 首个扇区** — `dhara_map_init` 的第 5 个参数 (journal 页数) 影响 GC 效率，当前为 4，增大可减少写入放大但占用更多内存。
4. **坏块传播** — FTL 在擦除/编程失败后自动调用 `dhara_nand_mark_bad` → `gd5f2gq5ue_mark_block_bad`，BBT 在 RAM 中更新，下次复位后重新扫描出厂坏块并叠加运行时坏块。
5. **功耗** — 擦除操作最大耗时约 5ms (驱动超时设为 5s)，页编程约 600ms (超时 1s)，读写操作快。在低功耗场景需注意合理安排操作时序。
6. **缓存一致性** — 单页缓存 (s_cache_buf) 仅对 FatFS 层可见，多任务读写同一文件需在应用层同步。