【Zephyr開發實踐系列】08_NVS文件系統調試記錄

文章目錄

  • 前言
  • 一、NVS原理介紹：
  • 二、BUG-NO1：將NVS運用在NAND-Flash類大容量存儲設備
    • 2.1 情況描述：
    • 2.2 BUG復現：
      • 文件系統設備樹構建
      • 測試應用編寫（導致錯誤部分）：
      • 問題呈現：
    • 2.3 問題簡述：
      • 問題定位：
      • 強制實現：
    • 2.3 最后解決：
  • 三、BUG-NO2：nvs_partition地址范圍超出內存范圍
    • 3.1 情況描述：
    • 3.2 BUG復現：
      • 文件系統設備樹構建：
      • 測試代碼編寫（無錯代碼）：
      • 問題定位：
    • 3.3 最后解決：
  • 總結

前言

在嵌入式系統開發中，穩定可靠的非易失性存儲方案是系統健壯性的關鍵保障。近期在項目芯片驅動開發中，先后實現了內部Flash和外部NAND Flash的基礎驅動驗證。隨即需要著手構建文件系統層->NVS與LittleFS對Flash進行統一文件管理。
選NVS，如果：

  • 只需要存儲少量配置參數（如Wi-Fi SSID、設備序列號）。
  • 數據需要頻繁更新（如計數器、狀態標志）。
  • 對RAM/Flash占用極其敏感。

選LittleFS，如果：

  • 需要存儲日志、圖片、固件等較大文件。
  • 需要目錄管理（如/config/device.cfg）。
  • 設備可能頻繁斷電，需強數據一致性。

但一般可以互相搭配使用

  • NVS 存儲關鍵配置（如藍牙MAC、校準參數）。
  • LittleFS 管理日志、固件包等大文件。

本文記錄使用內部Flash與外部NAND-Flash進行NVS文件系統操作時出現的BUG與調試情況。

一、NVS原理介紹：

請參考：NVS文件系統原理及應用

二、BUG-NO1：將NVS運用在NAND-Flash類大容量存儲設備

2.1 情況描述：

想在外部NAND-Flash上構建類似EEPROM專門存儲小數據的掉電記憶系統，于是碰見了NVS。

2.2 BUG復現：

文件系統設備樹構建

boot_partition: partition@0 {label = "mcuboot";reg = <0x00000000 DT_SIZE_M(1)>;};lfs1_partition: partition@100000 {reg = <0x00100000 DT_SIZE_M(510)>;};slot0_partition: partition@1FF00000 {label = "image-0";reg = <0x1FF00000 DT_SIZE_K(128)>;};slot1_partition: partition@1FF20000 {label = "image-1";reg = <0x1FF20000 DT_SIZE_K(128)>;};nvs_partition: partition@1FF40000 {label = "nvs";reg = <0x1FF40000 DT_SIZE_K(256)>;};

說明將512M NAND-Flash劃分為四個分區：

  • boot_partition：存放mcu-boot
  • lfs1_partition：LittleFS文件系統管理處
  • slot0_partition：迭代版本程序0
  • slot1_partition：迭代版本程序1
  • nvs_partition：NVS文件系統管理處
    1M+510M+128K+128K+256K<512M，使用該分配是合理的。

測試應用編寫（導致錯誤部分）：

/* 最小擦除單位是128KB*/
#define NVS_SECTOR_SIZE  128*1024
#define NVS_SECTOR_COUNT (DT_SIZE_K(256K) / NVS_SECTOR_SIZE)  // 256KB / 128KB = 2 static struct nvs_fs fs = {.sector_size = NVS_SECTOR_SIZE, //最小擦除單位*n.sector_count = NVS_SECTOR_COUNT, //大于等于2.offset = NVS_PARTITION_OFFSET, //起始地址，必須是可擦除區域的邊界：1FF40000/128K無余數
};

說明：

  • sector_size：最小擦除單位，針對NOR-Flash叫扇區，一般是1-2K。而NAND-Flash，無扇區概念，額定最小擦除單位(塊)：128K
  • sector_count：扇區個數。sector_size*sector_count小于等于nvs_partition大小即可。
  • offset：可擦除邊界地址

問題呈現：

編譯后報錯：NVS_SECTOR_SIZE Over sector_size（0~65536）

2.3 問題簡述：

問題定位：

sector_size的數據格式是uint16(0~65535)=64K，若輸入范圍大于uint16將會返回錯誤。
定義文件路徑：settings_env.c

	if (nvs_sector_size > UINT16_MAX) {return -EDOM;}

我們NAND-Flash最小擦除范圍是128K,大于uint16。

強制實現：

嘗試強制將NAND-Flash改為sector_size的范圍（64K），同時增加sector_count數。
經嘗試編譯通過：但毫無疑問出現邊界未對齊問題，芯片直接跑飛：

[19:57:48.802][00:00:01.387,000] <err> os: ***** USAGE FAULT *****
[19:57:48.804][00:00:01.387,000] <err> os:   Unaligned memory access
[19:57:48.805][00:00:01.387,000] <err> os: r0/a1:  0x00000073  r1/a2:  0x39c00000  r2/a3:  0x00000073
[19:57:48.806][00:00:01.387,000] <err> os: r3/a4:  0x39c00000 r12/ip:  0x0000019b r14/lr:  0x0c0cf2fb
[19:57:48.807][00:00:01.387,000] <err> os:  xpsr:  0x01100000
[19:57:48.808][00:00:01.387,000] <err> os: s[ 0]:  0x00000000  s[ 1]:  0x00000000  s[ 2]:  0x00000000  s[ 3]:  0x00000000
[19:57:48.810][00:00:01.387,000] <err> os: s[ 4]:  0x616c7f25  s[ 5]:  0x3fe55555  s[ 6]:  0xf8198216  s[ 7]:  0x3f326636
[19:57:48.811][00:00:01.387,000] <err> os: s[ 8]:  0x5f00cb5a  s[ 9]:  0xbf912862  s[10]:  0x35793c76  s[11]:  0x3dea39ef
[19:57:48.812][00:00:01.387,000] <err> os: s[12]:  0x40400000  s[13]:  0x40600000  s[14]:  0x3bb54000  s[15]:  0x44160000
[19:57:48.814][00:00:01.387,000] <err> os: fpscr:  0x20040010

2.3 最后解決：

經詢問，原因是NVS不支持需要大塊擦除的存儲設備，特別是NAND-Flash還需要ECC和壞塊檢測的存儲設備，NAND-Flash只能使用LittleFS。
github
具體問題路徑：NVS service sector_size limited range is (0~65535)

三、BUG-NO2：nvs_partition地址范圍超出內存范圍

3.1 情況描述：

幸虧Zephyr頻繁在支持與更新，問題一很快得到了官方項目貢獻者的回答。
得知NVS無法運用在NAND-Flash于是將NVS運用在內部NOR-Flash上，但由于nvs_partition地址范圍超出內存范圍，出現讀取錯誤。

3.2 BUG復現：

文件系統設備樹構建：

&flash0 {partitions {compatible = "fixed-partitions";#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;/* Bootloader保留區 (16KB) */boot_partition: partition@0 {label = "bootloader";reg = <0x00000000 DT_SIZE_K(16)>;read-only;};/* 主應用程序區 (432KB) */app_partition: partition@4000 {label = "app";reg = <0x00004000 DT_SIZE_K(432)>;};/* NVS存儲區 (48KB) - 嚴格對齊2KB邊界 */storage_partition: partition@70000 {label = "storage";reg = <0x0007C000 DT_SIZE_K(48)>; };};
};

內部Flash大小是512K，16K+532KB+48KB<512K

測試代碼編寫（無錯代碼）：

/* 最小擦除單位是2KB*/
#define NVS_SECTOR_SIZE  2*1024
#define NVS_SECTOR_COUNT (DT_SIZE_K(256K) / NVS_SECTOR_SIZE)  // 64KB / 2KB = 32 static struct nvs_fs fs = {.sector_size = NVS_SECTOR_SIZE, //最小擦除單位*n.sector_count = NVS_SECTOR_COUNT, //大于等于2.offset = NVS_PARTITION_OFFSET, //起始地址，必須是可擦除區域的邊界
};

編譯通過，但讀取過程報錯:

*** Booting Zephyr OS build v4.1.0-5510-g8d2010e1e179 ***[2025-07-18 12:48:39.376]
[00:00:00.005,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 526328, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.385]
[00:00:00.013,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 528376, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.392]
[00:00:00.021,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 528376, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.405]
[00:00:00.029,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 530424, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.412]
[00:00:00.037,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 530424, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.420]
[00:00:00.045,000] [1;31m<err> flash_stm32: Read range invalid. Offset: 532472, len: 8[0m[2025-07-18 12:48:39.428]

問題定位：

看似合理，但是512KB = 0x00000000 ~ 0x0007FFFF
地址計算錯誤：
storage_partition分區的起始地址 0x7C000 + 大小 0xC000 = 0x88000>512K，但實際Flash結束于 0x7FFFF。

根據NVS算法原理：NVS在存儲時會向ate（記錄分配表）里寫入一組數據，ate在扇區中從后向前增長。所以說明部分ID數據的ATE表會保存在最后一塊扇區的最后幾位即0x88000附近>512K。這就是導致問題的直接原因。

3.3 最后解決：

&flash0 {partitions {compatible = "fixed-partitions";#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;/* Bootloader保留區 (16KB) */boot_partition: partition@0 {label = "bootloader";reg = <0x00000000 DT_SIZE_K(16)>;read-only;};/* 主應用程序區 (432KB) */app_partition: partition@4000 {label = "app";reg = <0x00004000 DT_SIZE_K(432)>;};/* NVS存儲區 (48KB) - 嚴格對齊2KB邊界 */storage_partition: partition@70000 {label = "storage";reg = <0x00070000 DT_SIZE_K(48)>; };};
};

0x00070000 +48K<512K，符合要求，測試順利！！！！

總結

在 Zephyr 上配置 NVS 時，需要綜合考慮：

  • 設備樹分區布局
  • Flash 物理特性
  • 內存對齊要求

通過系統性的問題分析和逐步調試，最終成功解決了所有編譯和運行時錯誤。

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