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前言
在嵌入式系统开发中，稳定可靠的非易失性存储方案是系统健壮性的关键保障。近期在项目芯片驱动开发中，先后实现了内部Flash和外部NAND Flash的基础驱动验证。随即需要着手构建文件系统层->NVS与LittleFS对Flash进行统一文件管理。
选NVS，如果：
- 只需要存储少量配置参数（如Wi-Fi SSID、设备序列号）。
- 数据需要频繁更新（如计数器、状态标志）。
- 对RAM/Flash占用极其敏感。
选LittleFS，如果：
- 需要存储日志、图片、固件等较大文件。
- 需要目录管理（如/config/device.cfg）。
- 设备可能频繁断电，需强数据一致性。
但一般可以互相搭配使用
- NVS 存储关键配置（如蓝牙MAC、校准参数）。
- LittleFS 管理日志、固件包等大文件。
本文记录使用内部Flash与外部NAND-Flash进行NVS文件系统操作时出现的BUG与调试情况。
一、NVS原理介绍：
请参考：NVS文件系统原理及应用
二、BUG-NO1：将NVS运用在NAND-Flash类大容量存储设备
2.1 情况描述：
想在外部NAND-Flash上构建类似EEPROM专门存储小数据的掉电记忆系统，于是碰见了NVS。
2.2 BUG复现：
文件系统设备树构建
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)>;
};
说明将512M NAND-Flash划分为四个分区：
- boot_partition：存放mcu-boot
- lfs1_partition：LittleFS文件系统管理处
- slot0_partition：迭代版本程序0
- slot1_partition：迭代版本程序1
- nvs_partition：NVS文件系统管理处
1M+510M+128K+128K+256K<512M，使用该分配是合理的。
测试应用编写（导致错误部分）：
/* 最小擦除单位是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, //最小擦除单位*n
.sector_count = NVS_SECTOR_COUNT, //大于等于2
.offset = NVS_PARTITION_OFFSET, //起始地址，必须是可擦除区域的边界：1FF40000/128K无余数
};
说明：
- sector_size：最小擦除单位，针对NOR-Flash叫扇区，一般是1-2K。而NAND-Flash，无扇区概念，额定最小擦除单位(块)：128K
- sector_count：扇区个数。sector_size*sector_count小于等于nvs_partition大小即可。
- offset：可擦除边界地址
问题呈现：
编译后报错：NVS_SECTOR_SIZE Over sector_size（0~65536）
2.3 问题简述：
问题定位：
sector_size的数据格式是uint16(0~65535)=64K，若输入范围大于uint16将会返回错误。
定义文件路径：settings_env.c
if (nvs_sector_size > UINT16_MAX) {
return -EDOM;
}
我们NAND-Flash最小擦除范围是128K,大于uint16。
强制实现：
尝试强制将NAND-Flash改为sector_size的范围（64K），同时增加sector_count数。
经尝试编译通过：但毫无疑问出现边界未对齐问题，芯片直接跑飞：
[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 最后解决：
经询问，原因是NVS不支持需要大块擦除的存储设备，特别是NAND-Flash还需要ECC和坏块检测的存储设备，NAND-Flash只能使用LittleFS。
具体问题路径：NVS service sector_size limited range is (0~65535)
三、BUG-NO2：nvs_partition地址范围超出内存范围
3.1 情况描述：
幸亏Zephyr频繁在支持与更新，问题一很快得到了官方项目贡献者的回答。
得知NVS无法运用在NAND-Flash于是将NVS运用在内部NOR-Flash上，但由于nvs_partition地址范围超出内存范围，出现读取错误。
3.2 BUG复现：
文件系统设备树构建：
&flash0 {
partitions {
compatible = "fixed-partitions";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
/* Bootloader保留区 (16KB) */
boot_partition: partition@0 {
label = "bootloader";
reg = <0x00000000 DT_SIZE_K(16)>;
read-only;
};
/* 主应用程序区 (432KB) */
app_partition: partition@4000 {
label = "app";
reg = <0x00004000 DT_SIZE_K(432)>;
};
/* NVS存储区 (48KB) - 严格对齐2KB边界 */
storage_partition: partition@70000 {
label = "storage";
reg = <0x0007C000 DT_SIZE_K(48)>;
};
};
};
内部Flash大小是512K，16K+532KB+48KB<512K
测试代码编写（无错代码）：
/* 最小擦除单位是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, //最小擦除单位*n
.sector_count = NVS_SECTOR_COUNT, //大于等于2
.offset = NVS_PARTITION_OFFSET, //起始地址，必须是可擦除区域的边界
};
编译通过，但读取过程报错:
*** 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]
问题定位：
看似合理，但是512KB = 0x00000000 ~ 0x0007FFFF
地址计算错误：
storage_partition分区的起始地址 0x7C000 + 大小 0xC000 = 0x88000>512K，但实际Flash结束于 0x7FFFF。
根据NVS算法原理：NVS在存储时会向ate（记录分配表）里写入一组数据，ate在扇区中从后向前增长。所以说明部分ID数据的ATE表会保存在最后一块扇区的最后几位即0x88000附近>512K。这就是导致问题的直接原因。
3.3 最后解决：
&flash0 {
partitions {
compatible = "fixed-partitions";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
/* Bootloader保留区 (16KB) */
boot_partition: partition@0 {
label = "bootloader";
reg = <0x00000000 DT_SIZE_K(16)>;
read-only;
};
/* 主应用程序区 (432KB) */
app_partition: partition@4000 {
label = "app";
reg = <0x00004000 DT_SIZE_K(432)>;
};
/* NVS存储区 (48KB) - 严格对齐2KB边界 */
storage_partition: partition@70000 {
label = "storage";
reg = <0x00070000 DT_SIZE_K(48)>;
};
};
};
0x00070000 +48K<512K，符合要求，测试顺利！！！！
总结
在 Zephyr 上配置 NVS 时，需要综合考虑：
- 设备树分区布局
- Flash 物理特性
- 内存对齐要求
通过系统性的问题分析和逐步调试，最终成功解决了所有编译和运行时错误。