痞子衡嵌入式：kFlashFile v1.0 - 一個基於Flash的掉電數據存取方案

大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天給大家帶來的是痞子衡的個人小項目 - kFlashFile。

痞子衡最近在參與一個基於 i.MXRT1170 的項目，項目有個需求，需要在 Flash 裏實時保存一些關鍵數據（初步設 512 bytes），掉電能恢復。這些數據在訪問方式上要友好，最好是很簡單的 API 接口，上層無需操心關鍵這些數據在 Flash 裏是如何存儲以及具體存儲在什麼位置，只需在意關鍵數據保存和讀取的操作即可（就像在 RAM 裏動態存取那樣）。

根據上述需求，痞子衡做了一個參考設計，命名爲 kFlashFile，當前是 v1.0 版本。痞子衡寫了比較詳細的設計文檔，特地分享給大家，如果大家有更好的建議和想法，歡迎在文章下面留言。

項目地址：https://github.com/JayHeng/kFlashFile

kFlashFile

一、簡介

kFlashFile 是一個基於 NOR Flash 的輕量級文件數據存儲方案，用於需要斷電數據保存的項目。

kFlashFile 主要爲 i.MXRT 系列設計，但其分層框架設計使其也可輕鬆移植到其他 MCU 平臺。

kFlashFile 從設計上分爲三層：

• 最底層是Driver層：即Low-level驅動，這層是MCU相關的，對於i.MXRT來說，就是FlexSPI模塊的驅動。
• 中間是Adapter層：主要用於適配底層Driver，不同MCU其Driver接口函數可能不同，因此會在這一層做到接口統一。
• 最頂層是API層：純軟件邏輯設計來實現文件數據存儲，提供了四個非常簡易的API。

二、設計

2.1 API定義

kFlashFile 是一個文件數據存儲的設計，file_read()、file_save()是兩個必備的 API，此外也提供業界通用 API 接口file_init()、file_deinit()。

• kflash_file_init(): 用於初次分配Flash空間來存儲文件數據，並且指定文件長度。如果當前指定的Flash空間裏存在有效文件數據，那麼繼續複用。
• kflash_file_read(): 用於獲取當前有效存儲的文件數據，文件數據可以部分讀取。
• kflash_file_save(): 用於實時寫入最新的文件數據，文件數據可以部分更新。
• kflash_file_deinit(): 用於清除當前分配的Flash空間裏的文件數據，以便下次重新分配。

status_t kflash_file_init(kflash_file_t *flashFile, uint32_t memStart, uint32_t memSize, uint32_t fileSize);
status_t kflash_file_read(kflash_file_t *flashFile, uint32_t offset, uint8_t *data, uint32_t size);
status_t kflash_file_save(kflash_file_t *flashFile, uint32_t offset, uint8_t *data, uint32_t size);
status_t kflash_file_deinit(kflash_file_t *flashFile);

2.2 空間分配

kFlashFile 將分配的 Flash 空間分成兩個部分，前面是文件數據區（Data Sectors），後面是文件頭區（Header Sectors）。

文件數據區：從區內起始地址開始按序存放一份份文件數據，只要文件數據出現無法覆蓋的更新（即 Flash 無法改寫的特性），便會在下一個新地址重新存儲。如果數據區滿了，便擦除區內起始地址處的歷史文件數據，繼續循環存儲。

文件頭區：區內 Sector 起始地址放一個 Magic 值（4字節），用於標識文件頭。然後開始按序記錄一份份文件數據在文件數據區裏的位置信息（默認用 2byte 去記錄一份文件數據的位置）。如果當前 Header Sector 存儲滿了，便換到下一個 Header Sector 繼續記錄。

2.3 API主參數

kFlashFile 設計上使用 kflash_file_t 型作爲 API 主參數，這個參數原型定義如下：

typedef struct {
    uint32_t managedStart;
    uint32_t managedSize;
    uint32_t activedStart;
    uint32_t activedSize;
    uint32_t recordedIdx;
    uint32_t recordedPos;
    uint8_t buffer[KFLASH_MAX_FILE_SIZE];
} kflash_file_t;

• managedStart： 表示文件存儲區映射首地址，即 kflash_file_init() 調用時的 memStart 值加上 Flash 在內存裏映射首地址，managedStart 需要以 Flash Sector 大小對齊。
• managedSize： 表示文件存儲區總大小，即 kflash_file_init() 調用時的 memSize 值，需要是 Flash Sector 大小的整數倍。
• activedStart： 表示當前有效文件數據存儲的映射首地址，需要以 Flash Page 大小對齊。
• activedSize： 表示當前有效文件數據長度，需要是 Flash Page 大小的整數倍。
• recordedIdx： 表示當前有效文件頭所在的 Header Sector 索引。
• recordedPos： 表示 Header Sector 中用於存儲當前有效文件數據位置信息的區域偏移。
• buffer[]： 當前有效的文件數據暫存區。

三、實現

3.1 Driver層

在 i.MXRT 系列上，kFlashFile 的 Driver 層即 FlexSPI NOR 驅動，這個驅動既可以採用 MCU SDK 版本，也可以採用 BootROM 版本。

此處推薦 BootROM 版本的 FlexSPI NOR 驅動，因爲這個驅動歷經多個 MCU ROM 的洗禮，已經相當成熟穩定。這裏簡單講下其中 Flash 操作的函數：

• flexspi_nor_flash_erase(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t start, uint32_t length)：這個函數實現Flash擦除，雖然形參裏是任意設定的start, address，但實際擦除還是以Sector對齊的，函數內部會對start和address做自動對齊。
• flexspi_nor_flash_page_program(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t dstAddr, const uint32_t *src)：這個函數實現Flash編程，一次固定寫一整個Page大小的數據，即使dstAddr不是以Page對齊，實際寫入的Page數據也不會跨物理Page（會自動跳回同一個物理Page首地址，這是Flash自身特性）。

因爲 flexspi_nor_flash_page_program() 每次都要固定編程整個 Page 數據，不夠靈活，因此我新寫了一個 flexspi_nor_flash_program() 函數，這個函數支持編程用戶自定義長度的數據，並且支持跨物理 Page 去寫：

• flexspi_nor_flash_program(uint32_t instance, flexspi_nor_config_t *config, uint32_t dstAddr, const uint32_t *src, uint32_t length)：

需要特別注意，對於 SDR 模式的 Flash，最小編程長度可以是 1Byte；而 DDR 模式的 Flash，最小編程長度應是 2Bytes（如果這 2Bytes 地址上有一個 Byte 內容是 0xFF，該 Byte 依舊可以被再次編程）。

此外 flexspi_nor_flash_program() 函數有一個限制，即傳入的 src 源數據首地址必須 4 字節對齊，哪怕你只想寫入 2 個字節，這是 FlexSPI 模塊底層對驅動的要求。

3.2 Adapter層

kFlashFile 的 Adapter 層是對 Driver 層做了一層封裝，用於屏蔽硬件相關特性。該層與 MCU 以及板載 Flash 型號息息相關。下面的宏定義適用 i.MXRT1170 芯片以及連接在 FlexSPI1 上的 Octal Flash（MX25UM51345）：

// 表示 Flash 連接的是 FlexSPI1
#define KFLASH_INSTANCE          (1)
// BootROM FlexSPI 驅動對 Octal Flash 支持的簡易配置值
#define KFLASH_CONFIG_OPTION     (0xc0403007)

// FlexSPI1 在系統內存中的映射首地址
#define KFLASH_BASE_ADDRESS      (0x30000000)
// 默認的 Flash Sector/Page 大小（如果 Flash 裏有 SFDP，則此處定義無效）
#define KFLASH_SECTOR_SIZE       (0x1000)
#define KFLASH_PAGE_SIZE         (256)

// FlexSPI 編程接口對傳入的 src 源數據首地址必須 4 字節對齊
#define KFLASH_PROGRAM_ALIGNMENT (4)
// Flash SDR 模式爲 1，DDR 模式爲 2
#define KFLASH_PROGRAM_UNIT      (2)

kFlashFile 的 Adapter 層接口函數如下，參數是硬件無關的，因此上層可以輕鬆基於這些接口函數做純軟件邏輯設計。

status_t kflash_drv_init(void);
uint32_t kflash_drv_get_info(kflash_mem_info_t flashInfo);
status_t kflash_drv_erase_region(uint32_t start, uint32_t length);
status_t kflash_drv_program_region(uint32_t dstAddr, const uint32_t *src, uint32_t length);

3.3 API層

kFlashFile 的 API 功能設計思路前面介紹過了，這裏介紹具體代碼實現，先來看幾個關鍵的宏定義：

// 設置 Header Sector 的個數，至少是 2 個
#define KFLASH_HDR_SECTORS     (2)
// 設置 Header Sector 中用於存儲當前有效文件數據位置信息的區域存儲類型
// uint16_t 最多可記錄 65536 個位置，最大可支持的 Data 區域大小爲 65536 * 文件數據長度
#define KFLASH_HDR_POS_TYPE    uint16_t   /* uint16_t or uint32_t */
// 設置總分配的 Flash 長度（Data+Header Sector 的個數），至少是 4 個
#define KFLASH_MIN_SECTORS     (KFLASH_HDR_SECTORS + 2)
// 設置最大支持的文件數據長度，需是 Flash Page 的整數倍
#define KFLASH_MAX_FILE_SIZE   (KFLASH_PAGE_SIZE * 2)

3.3.1 init()

kflash_file_init() 函數處理流程如下：

如果是首次指定 Flash 空間，那麼直接將全部空間擦除乾淨，並在第一個 Header Sector 中寫入初始文件頭（Magic + 文件數據位置值 0），即最新有效文件數據在 Flash 空間文件數據區的首地址。

這裏有一個特殊的設計，文件數據區其實並不是直接存儲用戶寫入的文件數據，而是將用戶文件數據全部按位取反之後再存儲進 Flash。這裏假定用戶數據初始應該是全 0，然後更改主要是將 0 值改爲其他值，取反之後，正好對應 Flash 裏的 bit1 編程爲 bit0（Flash 擦除後是全 0xFF），這樣可以充分利用 Flash 覆蓋操作以減少擦除次數。

函數中比較關鍵的步驟是找尋當前 Flash 空間中是否存在有效文件數據，方法是遍歷 Header Sector，發現存在 Magic 便繼續尋找最新文件數據位置信息存放的區域（默認 2 字節），按照前面的設計，只需要按序讀取區域內容，直到遇到 0xFFFF 爲止。

3.3.2 read()

kflash_file_read() 函數最簡單了，直接從緩存區 buffer 裏獲取數據即可，因爲每次更新文件數據操作完成之後都會將最新文件數據放在 buffer 裏。

3.3.3 save()

kflash_file_save() 函數是最核心的函數了，這裏邏輯比較複雜，涉及文件數據區全部滿了之後的動作，以及文件頭區某個 Sector 滿了的動作。其處理流程如下：

當有一個新文件數據要求保存時，首先會判斷這個文件能不能在 Flash 中直接覆蓋存儲，如果能，那就直接覆蓋存儲，文件頭完全不需要更新，這種情況比較簡單。

如果新文件數據無法直接覆蓋存儲，那麼首先判斷文件數據區是否滿了，如果上一個文件數據已經存在了文件數據區的最後位置，此時需要擦除數據區第一個 Sector 從頭開始存儲。如果沒有到最後位置，那就按序往下存儲。

新文件數據已經保存到數據區之後，此時需要處理文件頭，記錄這個新文件數據的位置。如果文件頭區已經記錄到當前 Sector 的最後位置，需要切換到下一個 Sector 開始存儲，切換存儲完新位置後，將之前 Sector 擦除。如果沒有，那就按序在當前 Sector 繼續記錄。

3.3.4 deinit()

kflash_file_deinit() 函數也比較簡單，就是將文件頭區域 Header Sectors 全部擦除即可，文件數據區內容可以不用管，下次重新分配 Flash 時會做擦除。

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