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# STM32F4-Base 存储架构说明
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## 1. 概述
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本 项目在 GD5F2GQ5UE SPI NAND Flash（256MB）上实现了三层存储软件栈：
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 应用程序 (main, freertos) │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ │
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│ FatFs (文件系统) │
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│ │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ dhara FTL │
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│ (地址映射 · 磨损均衡 · 坏块管理 · 垃圾回收) │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ GD5F2GQ5UE NAND Flash 驱动 (底层 SPI) │
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│ 硬件 SPI · 页读写 · 块擦除 · BBT · 内部 ECC 使能 │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ SPI1 硬件外设 (PB3 SCK, PB4 MISO, PB5 MOSI) │
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│ 42MHz · Mode 0 · MSB First · DMA2 (S0-RX, S3-TX) │
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│ 小包轮询(≤32B) · 页数据 DMA (>32B) │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 物理分区布局 (256MB) │
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│ │
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│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ │
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│ │ ftl_fatfs (256MB) │ │
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│ │ Block 0~2047 │ │
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│ │ dhara FTL + FatFS（全部 2048 个块） │ │
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│ └──────────────────────────────────────────────────────────┘ │
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│ 偏移: 0 256MB│
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└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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**数据路径：**
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- **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。
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**初始化顺序：**
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HAL_Init → SystemClock_Config → MX_GPIO_Init → MX_USART1_UART_Init
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→ MX_SPI2_Init → MX_SPI1_Init
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→ gd5f2gq5ue_init() // NAND 底层驱动 (含 BBT 扫描 + ECC 使能)
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→ app_main_init() // 应用层初始化
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→ osKernelStart() // FreeRTOS 启动
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├─ defaultTask → f_mount() → 存储测试 + 业务
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├─ netTask → 网络协议栈轮询
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├─ adcTask → ADC 采集
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└─ rs485Task → RS485 通信
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## 2. 硬件规格：GD5F2GQ5UE
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| 参数 | 值 |
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| 容量 | 256 MB (2 Gb) |
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| 页大小 (主区) | 2048 bytes (2 KB) |
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| 备校区 (Spare) | 64 bytes/页 |
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| 每块页数 | 64 |
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| 块大小 | **128 KB** (64 × 2 KB) |
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| 总块数 | 2048 |
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| 总页面数 | 131072 |
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| 内部 ECC | 支持 (每页 8bit ECC) |
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| 接口 | SPI (Mode 0, CPOL=0 CPHA=0) |
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| 最高时钟 | 42 MHz |
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| 读页延迟 | < 60 μs |
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| 编程延迟 | < 600 μs |
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| 块擦除延迟 | < 3 ms |
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**SPI 引脚分配：**
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| 信号 | GPIO | 说明 |
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| CS# | PE0 | 片选 (低有效) |
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| SCK | PB3 | SPI1 SCK |
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| MISO | PB4 | SPI1 MISO (主入从出) |
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| MOSI | PB5 | SPI1 MOSI (主出从入) |
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| WP# | PB8 | 写保护 (本驱动恒拉高) |
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| HOLD# | PE1 | 保持 (本驱动恒拉高) |
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## 3. 分区布局
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单个分区，配置在 `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/nand_ftl.c`：
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```c
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#define FTL_FATFS_OFFSET 0 // 偏移 0，占用全部 256MB
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### 3.1 分区对照表
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| 分区名 | 偏移 | 大小 | 物理块范围 | 逻辑用途 |
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|--------|------|------|-----------|----------|
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| `ftl_fatfs` | 0 | 256 MB | Block 0~2047 | dhara FTL + FatFS |
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### 3.2 配置联动
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- **FTL** — `nand_ftl.c` 中 `FTL_START_BLOCK = 0`，`FTL_NUM_BLOCKS = 2048`
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- **FatFS** — 通过 `disk_ioctl(GET_SECTOR_COUNT)` 获取 FTL 管理的扇区数
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## 4. 驱动层：gd5f2gq5ue.c/h
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### 4.1 SPI 命令集
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| 命令 | 编码 | 用途 |
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|------|------|------|
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| `WRITE_ENABLE` | `0x06` | 写使能 (每个写/擦除前必须发送) |
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| `WRITE_DISABLE` | `0x04` | 写禁止 |
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| `GET_FEATURE` | `0x0F` | 读状态/feature 寄存器 |
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| `SET_FEATURE` | `0x1F` | 写 feature 寄存器 (前需写使能) |
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| `READ_ID` | `0x9F` | 读芯片 ID |
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| `PAGE_READ` | `0x13` | 将页数据从存储阵列载入内部缓存 |
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| `READ_FROM_CACHE` | `0x0B` | 从内部缓存读取数据 |
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| `PROGRAM_LOAD` | `0x02` | 将数据写入内部缓存 |
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| `PROGRAM_EXEC` | `0x10` | 将缓存数据编程到存储阵列 |
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| `BLOCK_ERASE` | `0xD8` | 块擦除 (128KB) |
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| `RESET` | `0xFF` | 芯片复位 |
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### 4.2 Feature 寄存器
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| 地址 | 名称 | 说明 |
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|------|------|------|
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| `0xA0` | Protect | 块保护 (写入 `0x00` 解除全部保护) |
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| `0xB0` | Feature | ECC 使能 (bit4=1 启用) |
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| `0xC0` | Status | 状态标志 (OIP/WEL/E_FAIL/P_FAIL/ECC) |
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| `0xD0` | Driver | 驱动强度 |
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### 4.3 初始化序列
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1. RESET (FFh)
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└─ 等待 5ms
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2. READ_ID (9Fh)
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└─ 校验 MID=0xC8, DID=0x52
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3. BBT 扫描
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└─ 读每块最后一页 (page 63) spare byte 0
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└─ 非 0xFF 即出厂坏块，写入 s_bbt[]
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4. SET_FEATURE (B0h=10h) — 使能内部 8bit ECC
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5. SET_FEATURE (A0h=00h) — 解除全部块保护
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### 4.4 读写擦除操作
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**页读取**（任何字节偏移均可，驱动自动定位到页）：
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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)
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```
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**页编程**（NAND 只能将 bit 从 1→0 翻转，编程前必须擦除）：
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```
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WRITE_ENABLE → PROGRAM_LOAD (02h + 列地址 + 数据) → PROGRAM_EXEC (10h + 行地址) → 等待完成 → 检查 P_FAIL
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```
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**块擦除**（最小擦除单位 128KB，参数是字节地址而非块编号）：
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```
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WRITE_ENABLE → BLOCK_ERASE (D8h + 3字节字节地址) → 等待完成 → 检查 E_FAIL
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```
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### 4.5 DMA 传输策略（2026-07-21 新增）
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SPI1 使用 DMA2 实现页数据级别的不阻塞传输，配置如下：
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| 通道 | DMA | 流 | 通道 | 方向 | 优先级 | 模式 |
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|------|-----|----|------|------|--------|------|
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| SPI1_RX | DMA2 | Stream 0 | CH3 | 外设→内存 | LOW | NORMAL |
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| SPI1_TX | DMA2 | Stream 3 | CH3 | 内存→外设 | LOW | NORMAL |
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**传输策略：**
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- **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
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- **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`
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**HAL 内部路由说明：**
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`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。
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**完整回调链条：**
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| 操作 | 触发回调 | 实现位置 |
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|------|---------|---------|
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| `PROGRAM_LOAD` TX DMA | `HAL_SPI_TxCpltCallback` | `gd5f2gq5ue.c` |
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| `READ_FROM_CACHE` RX DMA | `HAL_SPI_RxCpltCallback` | `gd5f2gq5ue.c` |
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| 任意外设错误 | `HAL_SPI_ErrorCallback` | `ch395f.c`（含 SPI1 分支） |
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**性能（顺序 128KB 读写，FatFS + FTL）：**
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| 模式 | 写 | 读 |
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|------|----|----|
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| 轮询（改造前） | 330 KB/s | 547 KB/s |
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| DMA（改造后） | **831 KB/s** | **1855 KB/s** |
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| 42MHz SPI 理论极限 | ~5.25 MB/s（受 NAND tPROG ≈ 500μs/页 限制） | ~5.25 MB/s |
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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）。
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### 4.6 BBT (Bad Block Table)
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- 初始化时扫描全部 2048 块最后一页的 spare byte 0
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- `s_bbt[256]` 位图数组，1 bit 标识 1 个块 (0=好, 1=坏)
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- `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block)` — 查询坏块状态
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- `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block)` — 标记坏块 (FTL 层在擦除/编程失败时调用)
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- `gd5f2gq5ue_bbt_clear()` — 清空 BBT（慎用，仅在重建时使用）
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- `gd5f2gq5ue_bbt_rescan()` — 重新扫描并重建 BBT（需 ECC 禁用时调用，见 GD5F2GQ5UE_Trap_Records.md）
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- `gd5f2gq5ue_print_bbt()` — 打印 BBT 摘要（调试用）
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> **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。
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## 5. dhara FTL (Flash Translation Layer)
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### 5.1 概述
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FTL 是 NAND Flash 上方最重要的组件，功能包括：
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| 功能 | 说明 |
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|------|------|
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| **地址映射** | 将 FatFS 的逻辑扇区号 (LBA) 映射到 NAND 物理页 |
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| **磨损均衡** | 均匀分布擦除次数，延长芯片寿命 |
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| **垃圾回收** | 回收无效页面空间 (GC) |
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| **坏块管理** | 擦除/编程失败时自动跳过并标记坏块 |
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| **ECC 处理** | 检测和上报硬件 ECC 不可纠正错误 |
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### 5.2 数据结构
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```c
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struct dhara_nand {
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int log2_page_size; // 页大小对数 (2KB → 11)
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int log2_ppb; // 每块页数对数 (64 → 6)
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int num_blocks; // 管理的物理块数 (1024)
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};
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struct dhara_map {
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// 内部状态：GC 队列、journal、映射表等
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};
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```
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### 5.3 NAND HAL (nand_ftl.c)
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dhara 通过 7 个回调函数访问物理 NAND：
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| 回调 | 功能 | 对应底层函数 |
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|------|------|-------------|
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| `dhara_nand_is_bad` | 查询坏块 | `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block + 1024)` |
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| `dhara_nand_mark_bad` | 标记坏块 | `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block + 1024)` |
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| `dhara_nand_erase` | 擦除块 | `nand_block_erase(block + 1024)` |
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| `dhara_nand_prog` | 写页 | `nand_program_load + nand_program_exec` |
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| `dhara_nand_read` | 读页 | `nand_page_read_to_cache + nand_read_from_cache` |
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| `dhara_nand_is_free` | 检查页空闲 | 读前 64 字节判断全为 0xFF |
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| `dhara_nand_copy` | 页拷贝 (GC 用) | read + prog 组合 |
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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。
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### 5.4 初始化流程 (disk_initialize)
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```
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1. 设置 nand 参数 (log2_page_size=11, log2_ppb=6, num_blocks=1024)
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2. dhara_map_init(&s_map, &s_nand, s_page_buf, 4)
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├─ s_page_buf: dhara 内部使用的 2KB 工作缓冲区
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└─ 4: journal 页面数量 (影响 GC 效率, 增大可减少写入放大)
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3. dhara_map_resume(&s_map)
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├─ 成功: 加载已有映射表
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└─ 失败: dhara_map_clear 创建空映射表
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4. 页面缓存初始化 (s_cache_buf, s_cached_lpn, s_cache_dirty)
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```
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### 5.5 页面缓存策略
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FTL 之上还有一个 **单页写回缓存 (write-back cache)**：
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- **读命中**: 直接返回 s_cache_buf 数据
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- **读未命中**: 刷出脏页 → 读新页到缓存
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- **写**: 写入缓存 → 标记脏
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- **全页写入**: 直接刷出 (跳过缓存)
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- **同步 (CTRL_SYNC)**: 刷出脏页 + dhara_map_sync
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## 6. FatFS 集成
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### 6.1 配置 (ffconf.h)
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```c
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#define FF_FS_READONLY 0 // 读写模式
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#define FF_USE_MKFS 1 // 启用格式化
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#define FF_MIN_SS 512 // 最小扇区大小
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#define FF_MAX_SS 512 // 最大扇区大小
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#define FF_VOLUMES 1 // 单卷
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#define FF_FS_TINY 0 // 非 tiny 模式
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#define FF_FS_NORTC 1 // 无 RTC (固定时间戳)
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```
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### 6.2 disk I/O 接口
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| 函数 | 功能 | 关键实现 |
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|------|------|----------|
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| `disk_initialize` | 初始化 FTL | 见 7.4 节 |
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| `disk_status` | 查询状态 | 返回初始化状态 |
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| `disk_read` | 读扇区 | 通过 FTL 映射读物理页 |
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| `disk_write` | 写扇区 | 通过 FTL 映射写 (缓存优化) |
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| `disk_ioctl` | 控制命令 | GET_SECTOR_COUNT/SIZE/BLOCK_SIZE + CTRL_SYNC |
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### 6.3 容量计算
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```
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FTL 管理块数 = 2048 (Block 0~2047)
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每块页数 = 64
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每页扇区数 (512B) = 4
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总扇区数 = 2048 × 64 × 4 = 524288
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总容量 = 524288 × 512 = 256MB (原始容量)
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FTL 开销后 ≈ 186 MB (随 GC 和 journal 使用量波动)
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```
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## 7. 完整数据流
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### 7.1 写文件流程
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```
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f_write("hello.txt")
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└─ FatFS: 计算 LBA, 写扇区
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└─ disk_write(0, data, sector=100, count=2)
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├─ 计算 LPN = sector / 4 = 25
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├─ 缓存未命中 → ftl_flush_cache() → ftl_read_page(25)
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├─ 拷贝数据到 s_cache_buf → 标记脏
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└─ 全页面写入 → ftl_flush_cache()
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||
└─ dhara_map_write(&s_map, 25, s_cache_buf)
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||
├─ 查找页映射 (或分配新页)
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├─ dhara_nand_prog(pg, data) → 物理写
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||
└─ 更新映射表
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f_close → disk_ioctl(CTRL_SYNC)
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||
└─ ftl_flush_cache() → dhara_map_sync()
|
||
└─ 写 journal 到 NAND (持久化映射表)
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```
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### 7.2 f_mkfs 格式化流程
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```
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f_mkfs("", &opts, work, size)
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├─ disk_initialize(0) → FTL 初始化
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├─ disk_write: 写入引导扇区 (MBR/PBR)
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├─ disk_write: 写入 FAT 表
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||
├─ disk_write: 创建根目录
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||
└─ disk_ioctl(CTRL_SYNC) → FTL sync
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```
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## 8. API 参考
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### 8.1 底层 NAND 驱动 (gd5f2gq5ue.h)
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| 函数 | 说明 |
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|------|------|
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| `gd5f2gq5ue_init()` | 初始化 NAND (BBT 扫描 + ECC 使能 + 块保护解除) |
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| `gd5f2gq5ue_read_id(p_mid, p_did)` | 读芯片 ID |
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||
| `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 |
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||
| `gd5f2gq5ue_is_block_bad(block)` | 查询坏块 |
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| `gd5f2gq5ue_mark_block_bad(block)` | 标记坏块 |
|
||
| `gd5f2gq5ue_bbt_clear()` | 清空 BBT |
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| `gd5f2gq5ue_bbt_rescan()` | 重新扫描 BBT |
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||
| `gd5f2gq5ue_print_bbt()` | 打印 BBT |
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**SPI 原语（FTL 和测试共享）：**
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| 函数 | 说明 |
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|------|------|
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| `gd5f_wait_busy(timeout_ms)` | 轮询等待 OIP 清零 |
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| `gd5f_write_enable()` | 发送 06h 写使能 |
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| `gd5f_read_status(p_status)` | 读状态寄存器 (C0h) |
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| `gd5f_page_read(page_addr)` | 页读取 (13h) |
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||
| `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 |
|
||
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||
### 8.2 FTL/FatFS (via nand_ftl.c / ff.h)
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||
|
||
| 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) |
|
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---
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||
## 9. 使用示例
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||
### 9.1 FatFS 文件操作
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```c
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||
#include "ff.h"
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||
|
||
static FATFS fs;
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static int fatfs_init(void) {
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FRESULT res = f_mount(&fs, "", 1);
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if (res == FR_NO_FILESYSTEM) {
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/* 首次使用需格式化 */
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MKFS_PARM opts = {FM_FAT32, 0, 0, 0, 0};
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uint8_t work[512];
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res = f_mkfs("", &opts, work, sizeof(work));
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if (res != FR_OK) return -1;
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res = f_mount(&fs, "", 1);
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}
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return (res == FR_OK) ? 0 : -1;
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}
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static void fatfs_write_read(void) {
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FIL fil;
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UINT bw, br;
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const char *msg = "Hello Storage!";
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char buf[32];
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/* 写文件 */
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f_open(&fil, "data.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
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f_write(&fil, msg, strlen(msg), &bw);
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f_close(&fil);
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/* 读文件 */
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f_open(&fil, "data.txt", FA_READ);
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f_read(&fil, buf, sizeof(buf), &br);
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buf[br] = '\0';
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f_close(&fil);
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}
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```
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### 9.2 FTL 格式化
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```c
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#include "nand_ftl.h"
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/* 注意: 此操作将清空 FTL 分区全部数据, 慎用 */
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if (nand_ftl_format() == 0) {
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DBG_INFO("FTL formatted");
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}
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```
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## 10. 注意事项
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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