18 KiB
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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：
#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
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)
#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
#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
#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
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。