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MicroPython SAMD端口多闪存设备支持的技术实现分析

2025-05-11 22:35:30作者:段琳惟

背景介绍

MicroPython的SAMD端口目前存在一个功能限制:无法同时访问MCU内部闪存和外部QSPI闪存。这一限制影响了某些特定应用场景的实现,特别是需要安全远程固件升级的系统。本文将深入分析这一技术问题的背景、现有实现方案以及可能的改进方向。

现有实现的问题

当前SAMD端口的闪存驱动实现存在两个主要限制:

  1. 单设备限制:modsamd.c模块只允许启用一种闪存类型(MCU闪存、SPI闪存或QSPI闪存),通过编译时宏定义选择。如果尝试启用多个,会导致编译错误。

  2. 功能局限

    • 闪存驱动仅暴露VFS协议方法,隐藏了原始块操作方法
    • 不支持闪存分区概念,整个闪存设备被分配给VFS使用
    • 与PyBoard的Flash设备不同,缺少start和len参数来定义独立区域

应用场景需求

典型的远程固件升级流程需要:

  1. 应用程序下载固件到文件系统
  2. 验证固件完整性
  3. 将新版本写入闪存独立区域
  4. 通过引导加载程序完成固件切换

这一流程需要:

  • 同时访问文件系统区域和原始闪存区域
  • 能够操作MCU闪存和外部闪存
  • 确保在意外断电情况下的恢复能力

技术实现方案

方案一:多闪存设备支持

通过修改modsamd.c,允许同时启用多种闪存类型,并为每种类型提供独立的类名:

  • samd.MCUFlash
  • samd.SPIFlash
  • samd.QSPIFlash

同时保留samd.Flash作为向后兼容的接口,通过配置宏指定默认使用的闪存类型。

方案二:闪存分区支持

修改闪存驱动程序(samd_flash.c等),增加以下功能:

  1. 支持start和len参数定义闪存区域
  2. 添加vfs_start和vfs_size字段管理文件系统区域
  3. 修改块操作方法,考虑分区偏移量
  4. 防止分区参数被重复修改

方案三:原始块访问扩展

在保持现有VFS接口的同时,提供原始闪存块访问能力:

  1. 通过未检查参数的块操作方法访问非文件系统区域
  2. 允许负块号访问文件系统之前的区域
  3. 需要应用程序自行管理访问边界

实现细节分析

闪存驱动修改

闪存驱动需要增加以下关键修改:

  1. 在make_new函数中添加start和len参数处理
  2. 初始化vfs_start和vfs_size字段
  3. 修改readblocks/writeblocks方法,增加分区偏移
  4. 调整ioctl调用,反映分区大小

链接脚本调整

需要修改链接脚本,确保:

  1. MCUFlash可以访问适当的闪存区域
  2. 不覆盖引导加载程序和运行中的应用程序
  3. 保留足够的空间用于固件更新

安全考虑

当前实现存在一些安全隐患:

  1. 块操作方法缺乏参数检查
  2. 无法自动发现文件系统区域
  3. 应用程序需要自行确保不破坏文件系统
  4. 多次实例化可能导致配置不一致

未来改进方向

  1. 正式支持闪存分区功能
  2. 提供安全的原始块访问API
  3. 增加闪存区域管理工具
  4. 完善参数检查和边界保护

结论

MicroPython SAMD端口的多闪存支持功能对于高级应用场景至关重要。通过合理的驱动修改和接口扩展,可以实现同时访问多种闪存设备的能力,为远程固件升级等复杂功能提供基础支持。开发者可以根据具体需求选择适合的实现方案,并注意相关的安全边界问题。

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