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【Zephyr 系列 28】MCU 闪存文件系统详解：LittleFS + NVS + 块设备设计实战

news 来源：原创 2025/6/26 18:37:18

🧠关键词：Zephyr 文件系统、LittleFS、NVS、Flash 分区、嵌入式存储、断电保护、wear leveling

📌 1. 为什么 MCU 上需要文件系统？

在嵌入式开发中，很多开发者起初直接操作 Flash 保存参数，但随着需求增长，往往会遇到：

参数保存格式混乱，维护困难；
写入失败容易造成数据损坏，缺乏断电保护；
写入频繁导致 Flash 使用寿命降低；
无法保存复杂结构，如日志、配置备份等。

这时，轻量级文件系统显得尤为重要，它可以提供：

像 PC 一样的 API 操作接口（open、read、write、seek 等）；
自动管理擦除、块写入、wear leveling；
部分具备容错能力，断电保护；
与上位机通信时，可以同步上传/下载配置数据。

在 Zephyr 中，推荐使用的有：

LittleFS：轻量、断电保护、目录支持，适合日志/配置文件
NVS：非易失性存储，类似 KV 键值表，适合保存结构化配置数据

📦 2. Zephyr 文件系统框架概览

Zephyr 的文件系统模块基于 POSIX 风格 API：

#include <fs/fs.h>

核心数据结构：

struct fs_file_t file;
fs_file_t_init(&file);
fs_open(&file, "/config.txt", FS_O_RDWR | FS_O_CREATE);
fs_write(&file, data, len);
fs_close(&file);

支持的文件系统包括：

文件系统	特性说明
LittleFS	小型、断电保护、可嵌套目录、wear leveling
NVS	键值型存储，数据小、安全可靠
FATFS	标准 FAT 文件系统，需挂载 SD 卡或 U 盘

通过 fs_mount 函数挂载，并通过 fs_open 等函数操作。

🧪 3. LittleFS 实战：从 Flash 驱动到文件操作

3.1 启用配置

在 prj.conf 中启用：

CONFIG_FILE_SYSTEM=y
CONFIG_FILE_SYSTEM_LITTLEFS=y
CONFIG_FLASH_MAP=y
CONFIG_FLASH=y

3.2 配置 Flash 分区

在 boards/your_board.dts 或 your_board.overlay 中添加：

/ {storage_partition: partition@0007c000 {label = "storage";reg = <0x0007C000 0x00004000>;  // 分区地址和大小};
};

在 pm_static.yml 中关联：

flash:storage:address: 0x7C000size: 0x4000

3.3 实现挂载点

#include <fs/littlefs.h>
static struct fs_mount_t littlefs_mnt = {.type = FS_LITTLEFS,.mnt_point = "/lfs",.fs_data = &littlefs_storage,.storage_dev = (void *)FLASH_AREA_ID(storage)
};int ret = fs_mount(&littlefs_mnt);

3.4 文件操作代码示例

struct fs_file_t file;
fs_file_t_init(&file);
fs_open(&file, "/lfs/log.txt", FS_O_WRITE | FS_O_CREATE);
fs_write(&file, "Hello Zephyr\n", 13);
fs_close(&file);

🔐 4. NVS 存储：参数保存更安全

4.1 启用配置

CONFIG_FLASH=y
CONFIG_FLASH_MAP=y
CONFIG_NVS=y

4.2 初始化 NVS

#include <storage/flash_map.h>
#include <fs/nvs.h>static struct nvs_fs fs;void nvs_init(void) {fs.offset = FLASH_AREA_OFFSET(storage);fs.sector_size = 4096;fs.sector_count = 2;fs.flash_device = DEVICE_DT_GET(DT_CHOSEN(zephyr_flash_controller));nvs_init(&fs, DT_LABEL(DT_CHOSEN(zephyr_flash_controller)));
}

4.3 写入与读取

int val = 123;
nvs_write(&fs, 1, &val, sizeof(val));int read_val = 0;
nvs_read(&fs, 1, &read_val, sizeof(read_val));

4.4 清除数据

nvs_delete(&fs, 1);

🔗 5. 多文件系统共存设计：配置+日志+OTA 标志

一个典型的嵌入式系统可能同时用多个存储：

/nvs 保存系统配置（蓝牙绑定、版本号等）
/lfs 保存日志与缓存
/ota 保存 OTA 升级中间文件

通过多个 fs_mount_t 实例实现挂载：

fs_mount(&nvs_mnt);
fs_mount(&littlefs_mnt);

需要规划 Flash 分区，并确保设备支持多个挂载点。

🧰 6. 常见问题排查与建议

问题	解决建议
文件系统挂载失败	检查 Flash 分区是否冲突
写入失败	确保对齐块大小；检查返回码
文件丢失或损坏	使用 `fs_format()` 重置文件系统
分区未初始化	检查 `fs_mount()` 返回值
OTA 写入失败	检查 Flash 剩余空间与擦除权限

🧪 7. 项目实战应用场景

7.1 蓝牙配对信息保存

使用 NVS 保存 BLE_MAC, 绑定标志 等，断电不丢失。

7.2 OTA 升级状态标记

写入升级中标志位，系统异常时可回滚。

7.3 传感器日志记录

将温度、电量数据按时间戳写入 log.txt，可上传到云端或导出。

✅ 总结

本章详细解析了 Zephyr 中的嵌入式文件系统机制，帮助开发者：

构建稳定的 Flash 数据保存机制；
实现参数配置持久化、日志记录与 OTA 管理；
学会使用 LittleFS 与 NVS 各自优势；
为产品稳定性、安全性提供基础支撑。

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