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RT-Thread v4.1.0 特性解析之 FAL 探秘

发布于 2022-04-22 19:05:28 浏览：4712 订阅该版

[tocm]

在 V4.1.0 中，将 fal 软件包重新定义为 RT-Thread 内部组件。

在使用方式上和以前有这些区别：原本使用 fal  需要在 RT-Thread 的包管理器中选择并进行下载；现在只需要在组件中打开使用即可。以下做详细介绍。

## 1、FAL介绍
FAL (Flash Abstraction Layer) Flash 抽象层，是对 Flash 及基于 Flash 的分区进行管理、操作的抽象层，对上层统一了 Flash 及 分区操作的 API (框架图如下所示)，并具有以下特性：

- 支持静态可配置的分区表，并可关联多个 Flash 设备；
- 分区表支持 自动装载 。避免在多固件项目，分区表被多次定义的问题；
- 代码精简，对操作系统 无依赖 ，可运行于裸机平台，比如对资源有一定要求的 Bootloader；
- 统一的操作接口。保证了文件系统、OTA、NVM（例如：EasyFlash） 等对 Flash 有一定依赖的组件，底层 Flash 驱动的可重用性；

自带基于 Finsh/MSH 的测试命令，可以通过 Shell 按字节寻址的方式操作（读写擦） Flash 或分区，方便开发者进行调试、测试；

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/90140db22026b8f3f8e3c2c28ae1b498.png)

**1.1、打开 FAL**
在组件中打开使用：
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/3b83fd4e6df4a707c946efea01620ddf.png.webp)

**每个功能的配置说明如下：**

- 开启调试日志输出（默认开启）；
- 分区表是否在 fal_cfg.h 中定义（默认开启）。如果关闭此选项，fal 将会自动去指定 Flash 的指定位置去检索并装载分区表，具体配置详见下面两个选项；
- 本存放分区表的 Flash 设备；
- 本分区表的 结束地址 位于 Flash 设备上的偏移。fal 将从此地址开始往回进行检索分区表，直接读取到 Flash 顶部。如果不确定分区表具体位置，这里也可以配置为 Flash 的结束地址，fal 将会检索整个 Flash，检索时间可能会增加。
- 启用 FAL 针对 SFUD 的移植文件（默认关闭）；
- 应输入调用 rt_sfud_flash_probe 函数时传入的 FLASH 设备名称（也可以通过 list_device 命令查看 Block Device 的名字获取）。该名称与分区表中的 Flash 名称对应，只有正确设置设备名字，才能完成对 FLASH 的读写操作。

**1.2、FAL 目录**

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/28c9f8687c68966ea6fc6e4108b4c147.png)

1.3、FAL API

FAL 相关的 API 如图所示，点击此处查看 API 参数详解。（以下链接请复制至外部浏览器打开）

https://github.com/RT-Thread/rt-thread/blob/master/components/fal/docs/fal_api.md

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/b61c1e437966dc99d5cf73ed1ea0fe06.png.webp)

2、使用 FAL
**使用 FAL 的基本步骤如下所示：**
1、打开 FAL：从 Env 中打开 fal 组件。

2、FAL 移植：定义 flash 设备、定义 flash 设备表、定义 flash 分区表。以下主要对步骤 2 展开讲解。

3、调用 fal_init() 初始化该库：移植完成后，可在应用层调用，如在 main 函数中调用。

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/a9371d7e9c1bfae177d1c5e5f1e75656.png.webp)

2.1、定义 flash 设备
在定义 Flash 设备表前，需要先定义 Flash 设备。可以是片内 flash,  也可以是片外基于 SFUD 的 spi flash：

定义片内 flash 设备可以参考 fal_flash_stm32f2_port.c

定义片外 spi flash 设备可以参考 fal_flash_sfud_port.c

定义具体的 Flash 设备对象，用户需要根据自己的 Flash 情况分别实现 init、 read、 write、 erase 这些操作函数：

`static int init(void)：`可选 的初始化操作。

`static int read(long offset, uint8_t *buf, size_t size)：`读取操作。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/47b4cad8ab6e303a0bd262ca0b58300c.png)

`static int write(long offset, const uint8_t *buf, size_t size) ：`写入操作。

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/7d960baa9f0dd8d1ed24ef4d6308b0b9.png)

`static int erase(long offset, size_t size) ：`擦除操作。

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/a6f7fc2848fa74bf4d553be20e10efa2.png)

用户需要根据自己的 Flash 情况分别实现这些操作函数。在文件最底部定义了具体的 Flash 设备对象 ，如下示例定义了 stm32f2 片上 flash：stm32f2_onchip_flash
```c
const struct fal_flash_dev stm32f2_onchip_flash =
{
    .name       = "stm32_onchip",
    .addr       = 0x08000000,
    .len        = 1024*1024,
    .blk_size   = 128*1024,
    .ops        = {init, read, write, erase},
    .write_gran = 8
};
```

"stm32_onchip" : Flash 设备的名字。

`0x08000000`: 对 Flash 操作的起始地址。

`1024*1024`：Flash 的总大小（1MB）。

128*1024：Flash 块/扇区大小（因为 STM32F2 各块大小不均匀，所以擦除粒度为最大块的大小：128K）。

{init, read, write, erase} ：Flash 的操作函数。如果没有 init 初始化过程，第一个操作函数位置可以置空。

8 : 设置写粒度，单位 bit， 0 表示未生效（默认值为 0 ），该成员是 fal 版本大于 0.4.0 的新增成员。各个 flash 写入粒度不尽相同，可通过该成员进行设置，以下列举几种常见 Flash 写粒度：

- nor flash: 1 bit
- stm32f2/f4:  8 bit
- stm32f1:  32 bit
- stm32l4:  64 bit

2.2、定义 flash 设备表
Flash 设备表定义在 fal_cfg.h 头文件中，定义分区表前需 新建 fal_cfg.h 文件 ，请将该文件统一放在对应 BSP 或工程目录的 port 文件夹下，并将该头文件路径加入到工程。fal_cfg.h 可以参考 示例文件 fal/samples/porting/fal_cfg.h 完成。

设备表示例：
```c
/* ===================== Flash device Configuration ========================= */
extern const struct fal_flash_dev stm32f2_onchip_flash;
extern struct fal_flash_dev nor_flash0;

/* flash device table */
#define FAL_FLASH_DEV_TABLE                                          \
{                                                                    \
    &stm32f2_onchip_flash,                                           \
    &nor_flash0,                                                     \
}
```
Flash 设备表中，有两个 Flash 对象，一个为 STM32F2 的片内 Flash ，一个为片外的 Nor Flash。

### 2.3、定义 flash 分区表
分区表也定义在 fal_cfg.h 头文件中。Flash 分区基于 Flash 设备，每个 Flash 设备又可以有 N 个分区，这些分区的集合就是分区表。在配置分区表前，务必保证已定义好 Flash 设备 及 设备表。fal_cfg.h 可以参考 示例文件 fal/samples/porting/fal_cfg.h 完成。

分区表示例：
```c
#define NOR_FLASH_DEV_NAME             "norflash0"
/* ====================== Partition Configuration ========================== */
#ifdef FAL_PART_HAS_TABLE_CFG
/* partition table */
#define FAL_PART_TABLE                                                               \
{                                                                                    \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD,        "bl",     "stm32_onchip",         0,   64*1024, 0}, \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD,       "app",     "stm32_onchip",   64*1024,  704*1024, 0}, \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD, "easyflash", NOR_FLASH_DEV_NAME,         0, 1024*1024, 0}, \
    {FAL_PART_MAGIC_WORD,  "download", NOR_FLASH_DEV_NAME, 1024*1024, 1024*1024, 0}, \
}
#endif /* FAL_PART_HAS_TABLE_CFG */
```
上面这个分区表详细描述信息如下：
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220422/841411799dc80df8ea2d2e68b064912e.png.webp)

用户需要修改的分区参数包括：分区名称、关联的 Flash 设备名、偏移地址（相对 Flash 设备内部）、大小，需要注意以下几点：

分区名保证 不能重复；

关联的 Flash 设备 务必已经在 Flash 设备表中定义好 ，并且 名称一致 ，否则会出现无法找到 Flash 设备的错误；

分区的起始地址和大小 不能超过 Flash 设备的地址范围 ，否则会导致包初始化错误；

注意：每个分区定义时，除了填写上面介绍的参数属性外，需在前面增加 FAL_PART_MAGIC_WORD 属性，末尾增加 0 （目前用于保留功能）

## 3、Finsh/MSH 测试命令
fal 提供了丰富的测试命令，项目只要在 RT-Thread 上开启 Finsh/MSH 功能即可。在做一些基于 Flash 的应用开发、调试时，这些命令会非常实用。它可以准确的写入或者读取指定位置的原始 Flash 数据，快速的验证 Flash 驱动的完整性，甚至可以对 Flash 进行性能测试。

具体功能如下：输入 fal 可以看到完整的命令列表
```
msh />fal
Usage:
fal probe [dev_name|part_name]   - probe flash device or partition by given name
fal read addr size               - read 'size' bytes starting at 'addr'
fal write addr data1 ... dataN   - write some bytes 'data' starting at 'addr'
fal erase addr size              - erase 'size' bytes starting at 'addr'
fal bench <blk_size>             - benchmark test with per block size

msh />
```
### 3.1、指定待操作的 Flash 设备或 Flash 分区
当第一次使用 fal 命令时，直接输入 fal probe  将会显示分区表信息。可以指定待操作的对象为分区表里的某个分区，或者某个 Flash 设备。

注意：根据 Flash 特性，擦除动作将按扇区对齐进行处理。所以，如果擦除操作地址或长度未按照 Flash 的扇区对齐，将会擦除掉与其关联的整个扇区数据。
```
msh />fal erase 0 4096
Erase data success. Start from 0x00000000, size is 4096.
msh />
```
### 3.3、写入数据
先输入 fal write ，后面跟着 N 个待写入的数据，并以空格隔开。以下命令为：从地址 8 的位置依次开始写入 1、2、3、4 、 5 这 5 个字节数据
```
msh />fal write 8 1 2 3 4 5
Write data success. Start from 0x00000008, size is 5.
Write data: 1 2 3 4 5 .
msh />
```
### 3.4、读取数据
先输入 fal read ，后面跟着待读取数据的起始地址以及长度。以下命令为：从 0 地址开始读取 64 字节数据
```
msh />fal read 0 64
Read data success. Start from 0x00000000, size is 64. The data is:
Offset (h) 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
[00000000] FF FF FF FF FF FF FF FF 01 02 03 04 05 FF FF FF 
[00000010] FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 
[00000020] FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 
[00000030] FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF

msh />
```
### 3.5、性能测试
性能测试将会测试 Flash 的擦除、写入及读取速度，同时将会测试写入及读取数据的准确性，保证整个 Flash 或整个分区的 写入与读取 数据的一致性。

先输入 fal bench ，后面跟着待测试 Flash 的扇区大小（请查看对应的 Flash 手册，SPI Nor Flash 一般为 4096）。由于性能测试将会让整个 Flash 或者整个分区的数据丢失，所以命令最后必须跟 yes 。
```
msh />fal bench 4096 yes
Erasing 1048576 bytes data, waiting...
Erase benchmark success, total time: 2.674S.
Writing 1048576 bytes data, waiting...
Write benchmark success, total time: 7.107S.
Reading 1048576 bytes data, waiting...
Read benchmark success, total time: 2.716S.
msh />
```

## 4、常见应用
基于 FAL 分区的 fatfs 文件系统例程 https://github.com/RT-Thread/IoT_Board/tree/master/examples/15_component_fs_flash

基于 FAL 分区的 littlefs 文件系统应用笔记

https://www.rt-thread.org/document/site/application-note/components/dfs/an0027-littlefs/

基于 FAL 分区的 EasyFlash 移植说明

https://github.com/armink-rtt-pkgs/EasyFlash/tree/master/ports