72b4b0943c
Replace task/batch shorthand IDs and residual layer labels in human-facing docs with semantic phrases. Add the new cleanup policy to docs/编号规范.md and update the entry docs. Machine keys (TC/CODE-RULE/MENU-STATE/TRAP/FR), hardware designators/pins/MAC, protocol/version numbers and frozen historical evidence are intentionally kept. Docs only; no code behavior change. Verified with check_doc_links.py --all and git diff --check.
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# STM32F4-Base 内存内容分配策略
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> 版本:v1.0 日期:2026-09-21
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> 适用工程:STM32F4-Base(STM32F407ZGTx @168MHz,FreeRTOS V10.3.1 + CMSIS-RTOS2,Keil MDK v5 / ARMCC)
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> 状态:**当前有效策略**(台架验证:产品构建台架日志代次 68 干净启动 61 行;存储套件 20/20 PASSED;恢复跑 3/3 PASSED)
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> 关联文档:`RAM使用分析与优化方案.md`(**内存管理主文档**:容量审计 + 优化方案 + 观测工具 + 基线数据)
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> 布局实现:`MDK-ARM/STM32F407-Demo/STM32F407-Demo.sct`
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## 1. 本文档目的
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定义"**哪类内存内容放进哪个 RAM 区域**"的分配规则,并记录 2026-09-21 "CCM 驻留者:FreeRTOS 堆 vs LVGL" 的裁决过程与理由。任何 scatter 布局调整、新增大缓冲、换料(芯片批次变化)前必须先查本文档。
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## 2. 硬件区域事实(本机实测)
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| 区域 | 地址 | 大小 | CPU 访问 | DMA1/DMA2 |
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|---|---|---|---|---|
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| RW_IRAM1(SRAM1+SRAM2) | 0x20000000 | 128KB | 168MHz 零等待 | **可达** |
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| RW_CCM(SRAM3/CCM) | 0x10000000 | 64KB | 168MHz 零等待(与主 SRAM **同速**) | **不可达(本机实证)** |
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关键事实:
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1. **CCM 对 CPU 是全速内存**。Cortex-M4 无 语义取数与有效性 cache,"CCM 是慢内存"的直觉只适用于带 cache 的核(M7/出口与记录/H7 的非 cacheable 旁路),**在本芯片上不成立**——任何"按速度分配区域"的论证对本文档无效。
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2. **DMA 对 CCM 地址的传输静默不落地**。2026-09-21 首轮 CCM 实验实证:以 CCM 上栈缓冲(dhara meta 132B / is_free 64B)为 DMA 源/目的时传输不生效,引发 FTL 重格式化循环与幻影坏块。此后 DMA 阈值提至 1024B 消除。**工程规则按"DMA 不可达 CCM"执行,不论数据手册如何表述。**
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3. CCM 存在性已用 `ST-LINK_CLI -r32 0x10000000` 本机实测可读写;**克隆片可能缺 SRAM3,换料必须重测并回退布局**。
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4. 工程不进入 Stop/Standby 低功耗模式,两区域掉电保留行为无差异,不构成分配判据。
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> 勘误(原《STM32F4-Base 内存使用分析报告》2026-09-11 快照,随主文档合并保留于此):该报告内存地图中 "SRAM3 64KB (0x2001_C000)" 为笔误——F407 的 SRAM3 即 CCM,位于 `0x10000000`(AXI);AHB2 侧只有 SRAM1(112KB)+SRAM2(16KB)。**以本文为准**(`RAM使用分析与优化方案.md` §8.4 与 `内存布局_RAM.svg` 均按此口径)。
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## 3. 全板 DMA 使用方清点(DMA 缓冲必须为 SRAM 静态)
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| 使用方 | 外设 | DMA 缓冲 | 位置 |
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| GD5F2GQ5UE NAND | SPI1 | 文件作用域静态页缓冲(2048B×3,`gd5f2gq5ue.c`) | SRAM |
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| CH395F 以太网 | SPI2 | `s_spi2_dma_tx_buf` / `s_spi2_dma_rx_buf`(文件静态,`ch395f.c`) | SRAM |
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| RS485 / USART1 调试 | UART4 / UART1 | 纯轮询,无 DMA | — |
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推论:**全板 DMA 只寻址驱动文件静态缓冲**;堆内存(`pvPortMalloc`)、任务栈、UI 缓冲均不被 DMA 寻址。UI 帧下行路径 `g_ui_fbuf →(CPU memcpy)→ g_tx →(CPU memcpy)→ s_spi2_dma_tx_buf → SPI2 DMA` 已逐跳核实为 CPU 拷贝 + 静态 DMA 缓冲。该结论在 GD5F 驱动内由 `gd5f_dma_buf_ok()` 持续强制(见 R2),并有 TC-GD5F-704/705 负路径用例实证。
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## 4. 内容分配规则
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- **R1(CCM 驻留)**:CCM 只放"**CPU-only 且损坏即致命、无自愈**"的内存。当前唯一驻留者 = **FreeRTOS 堆**(`heap_4.o`,56KB——2026-10-12 保护任务 由 48KB 扩容,`.ioc` 语义取数与有效性参数 `configTOTAL_HEAP_SIZE=57344`;全部任务栈/队列/定时器)。scatter 的 RW_CCM 节**不得**再列其他对象;任何新增必须经 §5 式裁决并走 §7 完整验证阶梯。
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- **R2(DMA 缓冲)**:只允许文件作用域静态缓冲,必须落 SRAM。**三层防线缺一不可**:
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- **窗口防线(编译期)**:DMA 白名单窗口 `GD5F_DMA_RAM_BASE/END`(0x20000000~0x20020000,须与 scatter `RW_IRAM1` 一致)与 CCM 窗口**永不得重叠**,另锁死阈值契约 `132 ≤ GD5F_DMA_THRESHOLD < GD5F_PAGE_SIZE`——两条都用项目惯用的**负数组 typedef 断言**(AC5 不支持 C11 `_Static_assert`),有人改窗口常量或阈值当场编译失败(`gd5f2gq5ue.h`)。
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- **尺寸防线**:GD5F DMA 阈值 `GD5F_DMA_THRESHOLD=1024`(>1024B 才走 DMA;阈值以下一律 CPU 轮询)。取值须 ≥ 存储路径上可能出现在任务栈的最大缓冲(dhara meta 132B、`dhara_nand_is_free` 64B)、且 < 页大小(2048,保住页级热路径的 DMA)。
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- **地址防线(运行时 + 启动期)**:`gd5f_dma_buf_ok()` 运行时校验**整段**缓冲是否落在 SRAM 区间(0x20000000~0x2001FFFF),越界者拒走 DMA、回落 CPU 轮询,并打印 `[ERR][NAND] RX/TX DMA buffer not DMA-reachable (p=… size=…) fallback poll`;`nand_ftl.c` 在 init 期对三块静态页缓冲**预先过同一守卫**,把"scatter 被改动导致静态缓冲落进 CCM"变成开机即报,而不是静默传错。
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阈值只挡得住"当前已知的小栈缓冲",挡不住"将来新加的 >1024B 非 SRAM 缓冲";地址守卫把 R2/R3 从**约定**升级为**运行时强制**。守卫负路径已由 TC-GD5F-704/705 在台架实证(读/写两方向各一,探针缓冲取自 CCM 堆,数据仍正确落位)。
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⚠ **缓冲自身地址无法编译期断言**:`.bss` 地址链接期才确定,AC5 的常量表达式取不到(`__builtin_*` 系在 MicroLIB 下亦不可用,实证见 `Src/main.c` `Error_Handler` 注释)→ 静态缓冲落位靠 **scatter + 启动期自检**双层保证,别再试图"加个 `_Static_assert`"。
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- **R3(堆/栈隔离)**:禁止以 `pvPortMalloc` 所得内存或任务栈为 DMA 源/目的(09-21 事故类:DMA 静默不落地 = 静默数据损坏,比报错更难查)。该约束在 GD5F 驱动内已由 `gd5f_dma_buf_ok()` 运行时强制(违反即回落轮询 + `[ERR]` 日志),并有 TC-GD5F-704/705 覆盖读、写两个方向。
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- **R4(UI/LVGL 留 SRAM)**:LVGL 池 + 帧缓冲为**自愈型**内容(每帧由 widget 树全量重渲染,脏帧下一帧即消失),不需要保护区;且留 SRAM 保留 DMA 门(将来帧推送若要 DMA 加速必须 SRAM 可达);其越界风险已由 32B 保护带 + canary + 溢出钩子兜住(见 §5.3)。
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- **R5(新内容放置判定表)**:
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| 内容性质(判定依据) | 放置 | 理由 |
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|---|---|---|
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| DMA 源/目的 | **SRAM(强制)**,文件作用域静态 | CCM 不可达;堆/栈禁 DMA(R2/R3) |
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| CPU-only + 损坏即致命、无自愈(调度器类) | **CCM**(容量允许时) | 保护区:DMA 野地址到不了、SRAM 溢出跨不过来 |
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| CPU-only + 自愈/瞬态(帧缓冲、渲染状态) | SRAM | 无需保护;DMA 门保留(R4) |
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| CPU-only + 持久程序状态(配置引擎、FAT 卷状态、网络状态机) | SRAM(默认) | 损坏属中级事故(可自愈/可重格式化恢复);CCM 配额留给致命类 |
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- **R6(容量台账)**:任何新增静态缓冲 >4KB、或改动 scatter/堆大小,必须先核 §6 台账余量,改后同步更新 §6 数字、`.sct` 头注释与 `AGENTS.md` 栈表。
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## 5. 决策记录:2026-09-21 CCM 驻留者裁决(堆 vs LVGL)
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### 5.1 议题
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CCM 64KB 只能容纳 {FreeRTOS 堆 48KB} 与 {LVGL 集合 ~52.5KB} 之一(两者合计 101KB > 64KB)。候选方案:
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- **方案 A(现行)**:堆 → CCM;LVGL 集合 → SRAM
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- **方案 B(提议,未采纳)**:LVGL 集合 → CCM;堆 → SRAM
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### 5.2 候选比较
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当时提出的两条判据经核实**均为事实但不具区分力**:
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- "UI 不用 DMA" ✓ 属实(§3 路径核实:DMA 只寻址驱动静态缓冲)→ 堆同样不用 DMA,两候选在 DMA 轴**等价**
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- "图形不紧迫速度" ✗ 无效判据(§2:M4 无 cache,CCM 与主 SRAM 对 CPU 同速)→ 两候选在速度轴**等价**
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真正可判别的轴是**"该内存损坏后的后果" × "DMA 不可达带来的隔离收益"**:
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| 内存块 | 大小 | 损坏后果 | 自愈能力 | DMA 不可达的收益 |
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| FreeRTOS 堆(调度器控制块 + 6 任务栈 + 队列/定时器) | 48KB | 调度静默损坏 = HardFault/复位循环/死系统,**最坏结果** | 无 | **大**:DMA 野地址传输到不了 CCM(表现为"数据没到",可检测),调度器字节免疫 DMA 类故障 |
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| LVGL 集合(16KB 池 + 帧 4 份副本) | ~28.5KB | 最坏 = 屏幕花屏 | **强**(每帧全量重渲染;已实证的 1 字节越界由 32B 保护带兜住) | 无(永不用 DMA,放 CCM 只会关上 DMA 门) |
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分配规则:**"损坏即致命 + 无自愈"的内存进保护区;"自愈型"内存留 SRAM。**
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### 5.3 裁决:方案 A(堆 → CCM)——即当前布局
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理由(按权重排序):
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1. **致命类优先**:方案 B 把 48KB 调度内存放回 SRAM,与全部潜在溢出源(含 FatFS、dhara 两个有实证事故史的第三方组件)同处一域;本项目实证过的故障族正是 1 字节类越界。
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2. **DMA 不可达对堆是防护**:任何 DMA 野地址/错地址传输都无法落入 CCM(静默不落地,发起方表现为可检测的"数据未到"),调度器因此免疫 DMA 类故障;方案 B 中该防护失效。
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3. **LVGL 残余风险已被现有手段兜住**:32B 保护带 + canary 实证 + `configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=2` + malloc 失败钩子;已发生的 1 字节越界被完整 containment。
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4. **"UI bug 最多弄坏屏幕、弄不死系统"是台架既成事实**:越界发生时 CCM 中的调度器毫发无伤(台架日志代次 68 干净启动、存储套件 20/20),这正是方案 A 的直接收益。
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### 5.4 方案 B 的胜出点(如实记录,不足以翻盘)
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- 最坏构建(存储套件)下多腾 ~4.5KB SRAM 余量(LVGL 集合 52.5KB > 堆 48KB,CCM 装得下更大的块)
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- LVGL 若再次越界且超出 32B 保护带,溅射域收敛在 LVGL 私有 CCM 域(方案 A 下溅入 SRAM 程序状态)
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两者均为中级收益,不足以抵消"调度器暴露于 SRAM 全域溢出"引入的顶级风险。
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### 5.5 一并否决的混合方案
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- 仅 LVGL 池(16KB)进 CCM、堆回 SRAM:16+56=72KB > 64KB 无法两全,调度器失去保护区 → 劣于方案 A
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- 仅帧副本进 CCM:帧副本是自愈型内容,放 CCM 只关 DMA 门、零防护收益 → 无意义
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### 5.6 若未来确需改判
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触发条件:测试构建 SRAM 余量不足,**且**已耗尽 `RAM使用分析与优化方案.md` 的帧副本去重(−6.4~9.6KB)与 LVGL 池缩减等低代价手段。
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流程:改 scatter → 走 §7 完整验证阶梯 → 同步更新本文档、`AGENTS.md`、`.sct` 头注释。在此之前,方案 A 是唯一有效布局。
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## 6. 当前容量台账(2026-10-29,产品构建 task/wave-record 分支终值;2026-09-21 最坏构建=存储套件的历史基线见 `docs/内存管理/RAM预算台账.md` 趋势)
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| 区域 | 总量 | 已用 | 空闲 | 驻留内容 |
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| RW_IRAM1(SRAM) | 131,072B (128KB) | 89,936B (87.83KB, 68.6%) | 41,136B (~40.2KB) | 全部静态(除堆),含录波环 `wave_ring.o` 5,300B 与 LVGL 池 16,384B(`lv_mem_core_builtin.o` 实测) |
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| RW_CCM | 65,280B(64KB 减 256B `UNINIT_CCM` 尾,与 `.sct` 一致) | 57,376B (56.03KB, 87.9%) | 7,904B | **仅** `heap_4.o`(ucHeap 56KB,2026-10-12 保护任务 扩容);256B 尾区现用 48B |
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数字身份:`RW_IRAM1` / `RW_CCM` / `ER_IROM1` 三行取自 lead 2026-10-29 权威构建(本工作树 `MDK-ARM/STM32F407-Demo/STM32F407-Demo.map`,0 错误 0 警告,`scripts/ram_baseline.py --update` 同批入 tsv)。受管快照区在 `docs/内存管理/RAM使用分析与优化方案.md`,子系统配额表在 `docs/内存管理/RAM预算台账.md`,两处由脚本渲染、本卡不手改。
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LVGL 集合明细(均在 SRAM):LVGL 池 16,384B(`lv_mem_core_builtin.o`,`LV_MEM_ADR=0` 内部静态)+ `g_ui_draw_buf` 3,232B(3200+32 保护带)+ `g_ui_fbuf` 3,200B + `g_tx` 3,209B + `g_lcdmem_data` 3,204B。
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产品构建比套件构建少 testTask/测试缓冲(约 40KB 级),SRAM 余量更大。数字以 map 实测为准,布局变更后必须重测并更新本表。
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录波支路静态(2026-10-29 入册,R6 要求;**全部落 RW_IRAM1、无 section 属性,CCM 增量 0**):
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| 归属对象 | 增量 | 构成 |
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| `wave_ring.o`(`App/algo/wave_ring.c`) | 5,300 B(ZI 5,256 + RW 44) | 录波环 int16×320 点×8 路 = 5,120 B 主体 + 已封存段头副本 136 B + 状态/索引/观测计数;map 比代码侧手算多 2 B,是链接器对齐 |
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| `default_task.o`(落盘道,函数内 `static`) | +1,204 B(2,736 → 3,940,同 tsv 的 RW+ZI 口径) | `FIL` 528 B(`FF_FS_TINY=0`,刻意不上栈)+ 分片搬运缓冲 256 B + 段头副本 136 B + 段路径 17 B + 打包上下文/`DIR`/`FILINFO`/状态字节约 267 B(对象级增量,未逐项拆分实测) |
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| `adc_task.o` 及其余数据面 | 约 256 B | 8 路语义原码暂存与封存瞬间交棒结构(`App/task/adc_task.c`);与上两行相加 = 数据面实测 +6,760 B |
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| UI 道:`ui_page_wave_play.o` 92 B、`ui_page_wave_manual.o` 28 B、`ui_task.o`、`ui_data.o` | 区级合计 +1,640 B | 两个新页面模块按 map 计 120 B;`ui_task.o`/`ui_data.o` 的增量拆分需要本波之前的 per-file 快照,本卡没有 → **只记区级增量,不猜分项** |
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- **三档对照(SRAM1)**:81,536 B / 62.2 %(`scripts/ram_baseline.tsv` 2026-10-28 行)→ 88,296 B(录波数据面终值)→ **89,936 B / 68.6 %**(含 UI 道终值),累计 **+8,400 B**;`RW_CCM` 三档恒 57,376 B —— 设计文档 `docs/子系统设计/故障录波设计说明.md` §7 的「不进 CCM」落位达成,也没有挤动 CCM。
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- **预估 vs 实测都要留**:设计文档 §7 原估静态增量约 5.9 KB(环 5,120 + 索引状态 32 + 双缓冲 512 + 读窗 256),实测数据面 +6,760 B。差额构成:`FIL` 528 B、`DIR`/`FILINFO`、段头副本 136 B、打包上下文(内含一份 136 B 段头)原估未记账;反向一项——落盘实际是**单缓冲 256 B**,不是预估的 512 B 双缓冲。只写实测会让下一次估算照着 6.7 KB 走、看不到原估漏了哪几项。
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- **Flash**:`ER_IROM1` 264,580 → 270,248(数据面 +5,668 B)→ 272,300(UI 道 +2,052 B)→ 272,360(落盘判废复检 +60 B)→ **272,336 B**(cppcheck 返工:把变量声明搬进最小作用域,纯搬声明 −24 B),累计 **+7,756 B**、占 26.0 %;`Total ROM` 274,308 B(26.2 %)、`Code` 243,552 B。RAM 三项(RW 1,972 / ZI 145,388 / RW_IRAM1 89,936 B / 68.6 %)与 CCM 57,376 B / 87.9 % 均未变。
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- **栈:9 任务全 PASS、未抬栈**(`scripts/stack_report.py` 静态最坏链)——adcTask 1,424 B(余 1,136 B / 44 %)、defaultTask 3,040 B 不变、protectTask 880 B、uiTask 1,336 B(余 15,048 B / 91 %)。R6 三处同步里 `AGENTS.md` 栈表这一处的结论是**核对过、数值未变**。
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- **为什么比上一版低**:本表 2026-10-12 版记 95,816 B / 73.1 %,高于今天的 89,936 B。原因是此后 LVGL 内部池由 40 KB 缩到 16 KB(`docs/内存管理/RAM预算台账.md` §3「缩池 ✅ 2026-10-15」行;`scripts/ram_baseline.tsv` 2026-10-12 与 2026-10-24 两行的 `top_rwzi` 列可见 `lv_mem_core_builtin.o` 40960 → 16384)——**不是本波回收了什么**。
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- **子系统归集的坑(本卡实测 → 2026-10-29 已修)**:`scripts/ram_baseline.py` 的 `subsystem_of()` 按对象名前缀首匹配,当时表里没有 `wave_` 前缀 → 录波环 `wave_ring.o` 5,300 B 落进 **「其它」(当时 15,853 B,参考值、无配额)**,配额 8 KB 的「应用」行看不见它;落盘道 `default_task.o`(+1,204 B)与 `adc_task.o` 才计入「应用」(当时现值 16,888 B,本波前该行已在配额外,成因见 `docs/内存管理/RAM预算台账.md` §2 的应用条目)。**同日后续**:补齐 12 个 `App/` 对象(9,445 B)的前缀,并加兜底——`App/**/*.c` 编出的对象只要落进「其它」,`python scripts/ram_baseline.py --gate` 就逐条 WARN 点名(软提醒不拦)。结论仍然有效:**子系统配额行不是录波预算的判据**,要按本节 per-file 台账读;差别只在「应用」行现在真含录波支路,两个口径不再互相看不见。
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## 7. 布局变更验证阶梯(强制执行)
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任何 scatter / CCM / 堆大小变更后,依次通过以下全部关卡方可认定生效:
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1. `/keil-build`(0 错误 0 警告)
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2. 产品构建 `/serial-boot-test`(`.dsh/skills/serial-boot-test/scripts/run_boot_test.py`):标记校验 PASS,且**零 `[ERR]`**(默认 Forbidden 已含 `[ERR]`)
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3. 存储套件(`test_config.h` → `TEST_SUITE_STORAGE`):只读模式实测 **3/3 PASSED**(破坏性关,卷内容不变);开启 `ENABLE_DESTRUCTIVE_TESTS` 后为全量集成用例(2026-09-20 实测 **20/20 PASSED**,含 TC-STORAGE-01/02/03/05/06)
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4. GD5F 套件(`TEST_SUITE_GD5F`):只读模式实测 **16/16 PASSED**(含只读的守卫负路径 TC-GD5F-704);开启 `ENABLE_DESTRUCTIVE_TESTS` 后 **68/68 PASSED**,并确认日志出现 2 条守卫负路径 `[ERR]`(TC-GD5F-704/705)——破坏性模式运行须放宽 Forbidden(`--forbidden "FAIL;HardFault"`)
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5. 恢复跑(`ENABLE_STORAGE_RECOVERY_TESTS`):期望 **3/3 PASSED**
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6. **破坏性用例默认关闭**(见 `test_config.h` 的 `ENABLE_DESTRUCTIVE_TESTS`):写/擦 NAND、格式化、坏块注入与 FatFS 写类用例只在首次上电/产线首启或明确需要时开启——2026-09-21 实测一轮破坏性 GD5F 运行即让 dhara 多记一个坏块(容量 95248 → 95200,且该计数持久化在 dhara journal checkpoint 头里,`nand_ftl_format` 清不掉);日常回归请保持只读模式。容量满值 = **96064 pages(187 MB)**,被扣掉的容量可用 `ENABLE_STORAGE_RECOVERY_TESTS` + `STORAGE_RECOVERY_FULL_WIPE`(全片擦除 + 重建 BBT)恢复(实测 95200 → 96064 ✓)
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通过全部关卡后:更新 §6 台账、`AGENTS.md` 栈表、`.sct` 头注释,并把本次裁决补入 §5。
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## 8. 附:策略落点索引
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| 策略要素 | 代码位置 |
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| CCM 布局(仅 heap_4.o) | `MDK-ARM/STM32F407-Demo/STM32F407-Demo.sct` |
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| DMA 阈值 1024B | `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/gd5f2gq5ue.h`(`GD5F_DMA_THRESHOLD`,公开供测试对齐上下界) |
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| DMA 窗口/阈值**编译期**断言 | `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/gd5f2gq5ue.h`(`gd5f_dma_window_no_ccm_check_t` 窗口不重叠 + `gd5f_dma_threshold_contract_check_t` 阈值契约,负数组 typedef) |
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| DMA 可达性运行时守卫 | `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/gd5f2gq5ue.c`(`gd5f_dma_buf_ok`,`gd5f_read_from_cache`/`gd5f_program_load` 两处接入) |
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| 静态缓冲落位**启动期**自检 | `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/nand_ftl.c`(init 期对三块 2KB 页缓冲过 `gd5f_dma_buf_ok`) |
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| 守卫负路径用例(读/写) | `test/board/gd5f_test_task.c`(TC-GD5F-704/705) |
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| 错误级日志纳入自动闭环 | `.dsh/skills/serial-boot-test/scripts/verify_log.py` + `.dsh/skills/serial-boot-test/scripts/run_boot_test.py`(默认 Forbidden 含 `[ERR]`,`[FAIL]` 仍拦截断言失败) |
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| LVGL 越界保护带 32B | `Drivers/BSP/UI/ui_port.c`(`UI_DRAW_BUF_GUARD`) |
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| 栈溢出/分配失败钩子 | `Inc/FreeRTOSConfig.h` + `Src/freertos.c`(`vApplicationStackOverflowHook` / `vApplicationMallocFailedHook`) |
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| HardFault 现场上报 | `Src/stm32f4xx_it.c`(`HardFault_Handler` → `hard_fault_report`) |
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已知未决风险:
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- `.ioc` 未与 `freertos.c` 的栈值直改同步——CubeMX 重新生成会覆盖栈值(已注释标记,未修)
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- CCM 存在性依赖芯片批次(克隆片可能缺 SRAM3,见 §2)
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