STM32F4-Base

基于 STM32F407ZGTx 的工业级嵌入式平台固件，集成以太网通信、NAND Flash 存储、ADC 采集、RS-485 通信及 FTP 文件服务。

硬件平台

• MCU: STM32F407ZGTx @ 168MHz (HSE 8MHz → PLL M=4/N=168/P=2)
• 封装: LQFP144
• RTOS: FreeRTOS V10.3.1 (CMSIS-RTOS V2)

外设接口（V0.1 硬件）

引脚口径 = Inc/main.h（CubeMX 生成，已迁 V0.1）+ docs/硬件平台/V0.1_网表详细分析报告.md。 V0.0 与本表的差异：TPAFE 控制组 7 线、LED1/LED2 驱动脚、RS-485 所在串口实例。

外设	接口	引脚	说明
CH395F 以太网	SPI2	PB12 CS, PB13 SCK, PB14 MISO, PB15 MOSI	10/100M 以太网控制器
GD5F2GQ5UE NAND	SPI1	PE0 CS, PB3 SCK, PB4 MISO, PB5 MOSI, PB8 WP, PE1 HOLD	256MB SPI NAND Flash
TPAFE5160 ADC	并行16位	PG0-PG15 数据, PC6 FRSTDATA, PC7 BUSY(EXTI), PC8 RD, PC9 CONVST, PA8 OS2 / PA11 OS1 / PA12 OS0	高精度 ADC
USART1	串口	PA9 TX, PA10 RX	115200bps 调试串口
SD2506 RTC	I2C1	PB6 SCL, PB7 SDA	墙钟基准与日志时间戳
6x LED	GPIO	PC5, PB0, PB1, PB2, PF11, PF12	低电平点亮
RS-485	UART4	PC10 TX, PC11 RX, PA15 DE	半双工通信（B2 暂缓，见 docs/任务规划/暂缓-RS485.md）
SWD	—	PA13 SWDIO, PA14 SWCLK	调试口 CN2（XH-3A）

项目架构

flowchart TB
    subgraph APP["应用层 (App/)"]
        direction LR
        A1["app/app_main.c"] ~~~ A2["task/net_task.c"] ~~~ A3["task/ui_task.c"] ~~~ A4["sync/time_sync.c"] ~~~ A5["algo/（语义取数与有效性~保护判据）"]
    end
    subgraph BSP["驱动层 (Drivers/BSP/)"]
        direction LR
        B1["CH395F"] ~~~ B2["GD5F2GQ5UE"] ~~~ B3["TPAFE5160"] ~~~ B4["SD2506"] ~~~ B5["RS485"] ~~~ B6["UI"]
    end
    subgraph MW["中间件 (Middlewares/ & Lib/)"]
        direction LR
        C1["FreeRTOS"] ~~~ C2["FatFs"] ~~~ C3["dhara FTL"] ~~~ C4["LVGL"]
    end
    subgraph HAL["HAL 层 / CMSIS"]
        direction LR
        D1["STM32F4xx_HAL_Driver/"] ~~~ D2["CMSIS/"]
    end
    HW["硬件 (STM32F407ZGTx)"]
    APP --> BSP --> MW --> HAL --> HW

更详细的全景架构（六层分层 + 任务与就绪屏障 + 启动时序 + 存储/网络/UI 栈 + 目录组织）见 docs/架构设计/项目架构总览.md。

启动流程

main.c
  ├─ HAL_Init()
  ├─ SystemClock_Config()           // 168MHz 系统时钟
  ├─ MX_GPIO/DMA/UART/SPI/I2C/ADC/TIM/IWDG_Init()  // CubeMX 外设初始化
  ├─ app_main_init()                // 应用层初始化（时间→RS485→NAND→ADC→采集算法→诊断）
  │   ├─ syslog_mcu_init()                       // 日志先进 RAM 暂存（内核前安全）
  │   ├─ sd2506_init() + sys_clock_init()        // 时间子系统优先（墙钟基准）
  │   ├─ rs485_init()
  │   ├─ gd5f2gq5ue_init()                       // 含 BBT 全片扫描
  │   ├─ tpafe5160_init()
  │   ├─ adc_input_init()                        // 语义取数与有效性层（语义映射 + STM32 ADC1 DMA）
  │   ├─ phasor_init() / freq_init() / prot_set_init() + prot_elm_init()  // 全周傅氏相量/保护判据内核前就绪
  │   ├─ SD2506 诊断（ID/时间/温度/电池）
  │   └─ HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3)           // 启动 TIM3 1kHz 采样节拍
  ├─ osKernelInitialize()
  ├─ MX_FREERTOS_Init()            // 创建 9 任务 + 事件组 + 消息队列
  └─ osKernelStart()               // 启动调度器

FreeRTOS 任务

任务	栈大小	优先级	职责
defaultTask	1280 words	Normal	FTL + FatFS 挂载、配置引擎属主、syslog 唯一写者
netTask	960 words	Normal	网络初始化 + CH395F 轮询（消费 NET_RECONFIG 按代次重建监听）
ftpTask	1024 words	Normal	FTP 服务（等待网络+存储就绪）
testTask	2048 words	BelowNormal	硬件测试入口
uiTask	4096 words	BelowNormal	LVGL UI 界面
timeSyncTask	640 words	Normal	墙钟时间同步
adcTask	640 words	AboveNormal	TPAFE5160 采样（TIM3 1kHz 事件驱动 + 原子快照 + STM32 ADC DMA，纯消费者）
iec104Task	640 words	Normal	IEC 60870-5-104 上行（工厂默认 :2404 监听，遥信/遥测/定值区）
protectTask	512 words	Normal	保护判据 20ms 节拍（保护判据元件 + 采样故障闭锁，B5）

上表与 Src/freertos.c 的 osThreadAttr_t 一致（2026-10-14 校准，9 任务）；改动栈大小前先读 docs/内存管理/RAM使用分析与优化方案.md 的定栈规则与 docs/内存管理/RAM预算台账.md 的预算项。

任务启动顺序管理

使用 CMSIS-RTOS v2 Event Flags 实现就绪屏障（readiness barrier）：

• SYS_EVT_NET_READY (bit 0): netTask 置位
• SYS_EVT_STORAGE_READY (bit 1): defaultTask 置位
• SYS_EVT_FTP_READY (bit 2): ftpTask 置位（预留）
• SYS_EVT_TIMESYNC_READY (bit 3): timeSyncTask 置位（预留）

消费者通过 osEventFlagsWait() 阻塞等待，零占用，取代魔法延时和全局变量轮询。

目录结构

每个自建代码目录都有 README.md（说明目录职责、文件清单与改前须知）—— 下表是全局地图，各目录 README 是局部细节。约定见 docs/文档规范.md §1.1b。

STM32F4-Base/
├── Src/                    # CubeMX 生成的源文件（USER CODE 区域可编辑）
│   ├── main.c             # 程序入口
│   ├── freertos.c         # FreeRTOS 任务创建
│   ├── gpio.c / dma.c / spi.c / i2c.c / usart.c
│   └── stm32f4xx_hal_msp.c / stm32f4xx_it.c
├── Inc/                    # CubeMX 生成的头文件
│   ├── main.h / FreeRTOSConfig.h / stm32f4xx_hal_conf.h
│   └── gpio.h / dma.h / spi.h / i2c.h / usart.h
├── App/                    # 应用层代码
│   ├── app/               # 应用入口与全局（app_main / app_cfg / sys_events）
│   ├── algo/              # 采集与算法层（语义取数与有效性 adc_input / 全周傅氏相量 phasor+freq / 保护判据 prot_set+prot_elm）
│   ├── cfg/               # 配置引擎（cfg_file 解析/持久化/迁移 + 存储后端）
│   ├── fs/                # 卷锁（vol_lock，syslog/cfg/lftpd 三条路径 try 语义）
│   ├── sync/              # 时间同步（time_sync 任务）
│   ├── log/               # 日志（sys_log 运行/自检记录、console_log 控制台单写者）
│   ├── task/              # FreeRTOS 任务实现
│   │   ├── default_task.c/h # 存储挂载 + 配置引擎属主 + syslog 写者
│   │   ├── net_task.c/h   # 网络任务
│   │   ├── ui_task.c/h    # UI 任务
│   │   ├── adc_task.c/h   # ADC 任务（语义取数与有效性/全周傅氏相量纯消费者，TIM3 1kHz 唤醒）
│   │   ├── iec104_serv.c/h # IEC 60870-5-104 上行服务
│   │   ├── protect_task.c/h # 保护判据任务（保护判据 20ms 节拍）
│   │   └── rs485_task.c/h # RS-485 任务（已实现，未创建，B2 暂缓）
│   ├── util/              # 工具函数（crc / ringbuf / sys_clock）
│   └── protocol/          # 通信协议（预留）
├── Drivers/
│   ├── BSP/               # 板级驱动（手工编写）
│   │   ├── CH395F/        # 以太网控制器驱动
│   │   ├── GD5F2GQ5UE/    # NAND Flash 驱动 + FTL
│   │   ├── TPAFE5160/     # ADC 驱动
│   │   ├── SD2506/        # RTC 驱动
│   │   ├── RS485/         # RS-485 通信驱动
│   │   ├── NET/           # BSD Socket API 网络抽象层
│   │   │   ├── net_socket.c/h  # Socket API
│   │   │   ├── net_events.c/h  # 芯片边沿事件处理 + 100ms 周期对账
│   │   │   ├── net_listener.c/h # 监听生命周期（请求登记 + 单一重建执行者）
│   │   │   ├── net_pending.c/h  # 阻塞 recv/send 挂起请求表（SEND 二期已落地）
│   │   │   ├── net_select.c/h  # select/poll 多路复用
│   │   │   └── lftpd/          # 轻量 FTP 服务器
│   │   ├── NETCFG/        # 网络配置（/config.ini [network] 段加载/保存）
│   │   ├── UI/            # LVGL UI 组件
│   │   └── dbg_log.h / dbg_cfg.h  # 调试日志（DBG_INFO 等）
│   ├── STM32F4xx_HAL_Driver/  # ST HAL 库
│   └── CMSIS/             # ARM CMSIS
├── Lib/                    # 第三方库
│   ├── dhara/             # NAND FTL 算法
│   ├── FatFs/             # FAT 文件系统
│   └── lvgl/              # 图形库
├── Middlewares/
│   └── Third_Party/FreeRTOS/  # FreeRTOS 内核
├── MDK-ARM/               # Keil 工程
│   ├── STM32F407-Demo.uvprojx  # 工程文件
│   ├── *_probe.py         # 台架探针（TCP 复连 / FTP 中止等）
│   └── startup_stm32f407xx.s  # 启动文件
├── test/                  # 测试代码与脚本
│   ├── board/             # 板端测试套件（编入固件）
│   │   ├── test_config.c/h     # 套件选择开关（互斥）
│   │   ├── ch395f_test_task.c/h # CH395F 测试
│   │   ├── gd5f_test_task.c/h   # NAND Flash 测试
│   │   ├── sd2506_test_task.c/h # RTC 测试
│   │   ├── storage_test_task.c/h # 存储性能测试
│   │   ├── net_test_task.c/h    # 网络层测试
│   │   └── net_latency_test.c/h # 链路时延探针
│   └── host/              # 主机端脚本（PC 侧；串口回归入口在 .dsh/skills/serial-boot-test/）
│       ├── ch395f_socket_test.py # Socket 通信测试
│       ├── ftp_test.py / ftp_up_dl_test.py / ftp_regression.py / ftp_integrity_test.py / ftp_capture.py
│       ├── e02_probe.py         # 队头阻塞专项探针
│       ├── latency_peer.py      # 链路时延 PC 对端
│       └── time_sync_server.py  # 时间同步推送服务
├── docs/                   # 项目文档（全量索引见 docs/README.md）
│   ├── README.md           # 文档索引：目录结构 + 推荐阅读顺序 + 全量清单
│   ├── 任务规划/            # 统一待办登记簿（README 排序权威 + 拆分文件）
│   ├── 架构设计/           # 项目架构总览 / 存储架构 / 启动顺序 / 配图流程 / 引用关系图
│   ├── 子系统设计/         # 配置 / 网络 / 墙钟 / 日志 / 运行自检记录 设计说明
│   ├── 网络/               # BSD Socket API 使用指南 + 内部函数调用关系
│   ├── 测试说明/           # 测试标准流程、各模块测试指南、串口助手、烧录复位
│   ├── 代码规范/           # C 代码规范、pre-commit / cppcheck 使用说明
│   ├── 内存管理/           # RAM 使用分析与优化方案 + 快照数据（data/）
│   ├── 问题记录/           # 各模块 Trap Records、专项审计与项目评审报告
│   ├── 环境与部署/         # 环境搭建与部署核对清单
│   ├── UI设计/            # LVGL UI：架构 / 菜单页面 / 制作流程 / 字体 / 模拟器 / 自动化测试 + mockups
│   ├── 硬件平台/           # 网表分析报告与语义图
│   ├── 芯片手册/           # 外部芯片数据手册（只读资料）
│   └── images/             # 文档技术配图（SVG 产物，脚本生成）
├── scripts/                # pre-commit 本地钩子脚本
│   ├── check_coding_standard.py  # 代码规范机械检查
│   └── check_mojibake.py         # U+FFFD 乱码检查
├── simulator/              # LVGL PC 模拟器（CMake + SDL2，与 MCU 共用 UI 源码）
│   ├── CMakeLists.txt     # 模拟器构建脚本
│   ├── main.c             # 模拟器入口（SDL → LVGL → 菜单 → 主循环）
│   ├── sim/               # 平台层（sim_port 显示/输入、net_socket_sim、推流/网口配置 backend）
│   ├── lv_conf.h          # LVGL 配置（1bpp + SDL）
│   ├── i1_to_png.py       # 截图 I1(1bpp) → PNG 转换工具
│   ├── tests/             # 无头回归脚本 + 黄金参考（菜单像素回归 / 内容页黄金参考）
│   └── SDL2/              # SDL2 2.32.10 预编译库
├── tools/                  # 开发工具
│   └── font_gen/          # 中文字体生成工具
├── ui_cn_chars.txt        # 中文字体字符集
├── requirements.txt       # Python 依赖清单（统一 .venv 环境，见 AGENTS.md「Python 环境」）
├── STM32F407-Demo.ioc     # CubeMX 工程文件
├── .pre-commit-config.yaml # pre-commit 钩子配置
├── .gitlint               # commit message 检查规则
├── .dsh/skills/           # DSH 项目级 skill（编译/烧录/串口采集/闭环 + 流程类）
├── .serialtest/           # 串口测试档案（串口端口单一配置源 + 烧录/标记参数）
└── AGENTS.md              # AI 开发规范

构建系统

环境要求

• Keil MDK-ARM v5 (ARMCC 编译器)
• Python 3（统一入口为仓库内 .venv，依赖见 requirements.txt，重建方法见 AGENTS.md「Python 环境」）
• ST-Link 或兼容调试器

编译

# 方式一：命令行编译（推荐；= keil-build skill）
& '.venv\Scripts\python.exe' .dsh\skills\keil-build\scripts\keil_build.py

# 方式二：Keil IDE
# 打开 MDK-ARM\STM32F407-Demo.uvprojx → Build (F7)

退出码：0 = 成功 | 1 = 有警告 | 2+ = 错误

编译日志：MDK-ARM/build_log.txt

烧录

& '.venv\Scripts\python.exe' .dsh\skills\stlink-flash\scripts\stlink_flash.py flash

LVGL PC 模拟器

PC 端 UI 开发调试（无需烧录 MCU，与 MCU 共用 Drivers/BSP/UI/ 源码），详见 docs/UI设计/LVGL模拟器部署与使用说明.md：

& "simulator\build_sim.bat"        # 一键构建（自动探测本机 VS2019/2022/2026 生成器）
# 运行 simulator\build\Debug\lvgl_sim.exe

UI 改动回归门禁（菜单像素回归 + 内容页黄金参考 + 池水位校验）：

.venv\Scripts\python.exe simulator/tests/check_menu_rows.py
.venv\Scripts\python.exe simulator/tests/check_content_pages.py

详见 docs/UI设计/UI_自动化测试流程.md。

驱动开发指南

CH395F 以太网

• 单连接模式：Socket 0 复用监听和数据通道
• 中断统一处理：所有中断在 net_poll() 中通过 GET_GLOB_INT_STATUS 集中读取清除
• SPI 事务必须用 ch395f_spi_begin() / ch395f_spi_end() 包裹
• SPI 分频系数必须为 8（PCB 设计限制）

GD5F2GQ5UE NAND Flash

• 三层软件栈：FatFS → dhara FTL → NAND 驱动
• FTL 提供 LBA 映射、磨损均衡、坏块管理、垃圾回收
• 物理分区：全部 2048 块用于 FTL + FatFS

网络层 (NET)

• BSD Socket API 抽象：net_socket.h/c
• 事件处理与周期对账：net_events.c（芯片边沿事件 + 100ms 对账，net_poll() 内分派）
• 监听生命周期单一所有者：net_listener.c（net_listener_request 只登记意图、net_listener_tick 唯一执行）
• 阻塞挂起请求表：net_pending.c（recv 一期 / SEND 二期已落地；调用方铁律 sent < len）
• select/poll I/O 多路复用：net_select.h/c
• 线程安全通过消息队列（netMsgQueue）实现
• 所有 CH395F 操作在 netTask 中串行处理
• 网口配置保存后经 SYS_EVT_NET_RECONFIG 按网络代次号重建监听（新 IP 免重启生效）

时间子系统

• SD2506 RTC 提供初始时间
• sys_clock 将 RTC 时间转为 Unix epoch 墙钟基准
• timeSyncTask 通过 TCP 同步墙钟时间

自动化测试

启动测试

# 一键测试：串口捕获 → 烧录 → 日志校验（2026-09-20 起为纯 Python 标准库实现）
& '.venv\Scripts\python.exe' .dsh/skills/serial-boot-test/scripts/run_boot_test.py

退出码：0 = PASS | 1 = FAIL | 2 = 错误

测试模块

模块	测试文件	说明
CH395F 硬件	ch395f_test_task.c	SPI 通信、寄存器读写
NAND Flash	gd5f_test_task.c	页读写、块擦除、ECC
网络层	net_test_task.c	BSD Socket、TCP/UDP
RTC	sd2506_test_task.c	时间读写、温度、电池
存储性能	storage_test_task.c	FTL/FatFS 读写速度

主机端测试脚本（Python）

脚本	说明
ch395f_socket_test.py	Socket 通信测试
ftp_test.py	FTP 服务器基础测试
ftp_up_dl_test.py	FTP 上传/下载测试
ftp_regression.py	FTP 功能回归（会话流程全序列）
ftp_integrity_test.py	FTP 传输完整性压测（多轮 SHA-256 校验）
ftp_capture.py	FTP 流量抓取
time_sync_server.py	时间同步推送服务（PC → 板子）

串口调试

通过仓库内置 Python 串口助手（.dsh/skills/serial-assistant/）自主读取 USART1 串口打印：

• 端口配置：.serialtest/config.json（单一配置源）
• 用法详见 docs/测试说明/测试工具/串口助手使用指南.md，设计见 docs/测试说明/测试工具/串口助手设计说明.md

开发规范

源码编辑安全

铁律：绝不用 Get-Content / Set-Content / cmd 重写含中文的源码文件，会导致不可逆乱码。

• 改代码只用 Edit 工具（精确子串替换）
• 发现乱码先评估能否用 Edit 修复，不要急着 git checkout

CubeMX 生成文件

• Inc/ 和 Src/ 中的文件带有 USER CODE BEGIN/END 标记
• 自定义代码必须写在这些区域之间
• Drivers/BSP/ 下的驱动文件为纯手工代码，不受 CubeMX 保护

编译验证

所有代码修改后必须编译通过（0 错误 0 警告）才能提交。

新增文件

新文件需手动添加到 Keil MDK 工程才能编译。

自动化代码审查（pre-commit）

每次 git commit 自动执行检查，任一失败即拦截提交：

• 行尾空格 / 文件尾换行（自动修复）
• 大文件 / 冲突标记 / YAML 语法（拦截）
• cppcheck 静态分析：warning / performance / portability / style 四类，发现问题即拦截
• 代码规范检查：头文件保护宏、命名（宏大写/_t 后缀）、函数注释、default 分支、禁用 strcpy/sprintf/goto/Tab 等（规范 V1.0 可机械校验项）
• U+FFFD 乱码（拦截，不可逆损坏）
• commit message 格式（gitlint，拦截）

本地钩子脚本：scripts/check_coding_standard.py、scripts/check_mojibake.py（由 .pre-commit-config.yaml 引用）。

# 新机器启用钩子
pre-commit install
# 全库扫描（配置变更后验证）
pre-commit run --all-files

详见 docs/代码规范/pre-commit使用说明.md 与 docs/代码规范/cppcheck使用说明.md。

关键文件索引

文件	说明
Src/main.c	程序入口，CubeMX 生成 + USER CODE 区域
Src/freertos.c	FreeRTOS 任务创建
App/app/app_main.c	应用初始化流程编排
App/task/net_task.c	网络任务主循环
App/app/sys_events.h	系统就绪事件定义
App/app/app_cfg.h	功能裁剪的决策占位说明（当前无宏；原未接线占位开关 2026-10-22 已删）
Drivers/BSP/CH395F/ch395f.c	以太网控制器驱动
Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/gd5f2gq5ue.c	NAND Flash 驱动
Drivers/BSP/NET/net_socket.c	BSD Socket API
Drivers/BSP/NET/net_events.c	芯片边沿事件处理 + 周期对账
Drivers/BSP/NET/net_listener.c	监听生命周期（单一重建所有者）
App/algo/prot_elm.h	保护判据元件框架（判据消费入口）
.dsh/skills/keil-build/scripts/keil_build.py	编译脚本（/keil-build）
.dsh/skills/serial-boot-test/scripts/run_boot_test.py	自动化测试脚本

已知问题

详见 docs/问题记录/ 目录：

• CH395F_Trap_Records.md — 以太网控制器已知陷阱
• GD5F2GQ5UE_Trap_Records.md — NAND Flash 已知陷阱
• SD2506_Trap_Records.md — RTC 已知陷阱

文档

📚 全量文档索引见 docs/README.md（目录结构 + 推荐阅读顺序 + 按角色导航）。

文档	说明
docs/README.md	文档索引（全量清单 + 阅读顺序 + 新增文档约定）
docs/架构设计/项目架构总览.md	项目全景架构（六层分层 + 任务/就绪屏障 + 启动时序 + 存储/网络/UI 栈 + 目录组织）
docs/环境与部署/项目部署环境要求.md	部署环境要求（开发机 / 目标板 / 网络与现场 / 远端客户端）+ 分步安装命令 + 下载来源速查 + 验收清单
docs/架构设计/STM32F4-Base存储架构说明.md	三层存储软件栈详解（FatFS → dhara FTL → NAND）
docs/架构设计/项目启动顺序管理.md	Event Flags 就绪屏障设计
docs/子系统设计/系统墙钟时间维护说明.md	RTC + 墙钟时间子系统
docs/子系统设计/网络配置说明.md	网口设置页配置（UI 可改的 IP/掩码/网关/MAC：持久化 + 立即生效 + 页面操作）
docs/网络/BSD_Socket_API_使用指南.md	BSD Socket API 使用指南（net_socket / net_select：线程安全 / 快速开始 / TCP / UDP / I/O 多路复用 / 事件回调 / API 参考 / 常见问题）
docs/网络/Net层阻塞模型架构设计.md	NET 阻塞模型（挂起请求表五路语义，recv 一期 / SEND 二期已落地）
docs/网络/网络自愈架构设计.md	网络自愈架构（监听重建 / 沉降隔离 / 周期对账）
docs/子系统设计/IEC104上行设计说明.md	IEC 60870-5-104 上行（:2404 监听，B4）
docs/子系统设计/ADC采样节拍设计说明.md	TIM3 1kHz 采样节拍（两片转换器同源硬件驱动）
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