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FPGA PS侧或软核 的 EXFAT文件系统

1. 项目简介

本项目基于 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 平台，实现 FPGA 对多路 NVMe SSD 的访问，并在软件侧提供 exFAT 文件系统能力。系统支持串口交互式exFAT shell，用于完成多盘选择、挂载、格式化、容量查询、目录查看、文件读写、删除和性能测试；同时也支持exFAT shell web版本，上电后同时启动 Web 文件服务器和串口 shell，可通过浏览器访问http://192.168.4.10对 NVMe exFAT 分区进行文件浏览、上传、下载和删除。

从系统框图看，用户可通过串口 shell 或 Web 页面进入 PS 侧应用程序，PS 侧软件完成 exFAT 文件系统管理，并通过 PL 侧 NVMe 相关逻辑、DDR4 缓冲和 PCIe 通道访问多块 NVMe SSD。当前测试记录中系统识别到 2 块 NVMe，后续设计可扩展到更多 NVMe 盘。

2. 测试素材

1. ZU19EG 双盘挂载 exfatshell 例程（裸机）
2. ZU19EG 双盘挂载 exfatshell + web 管理例程（FreeRTOS）

3. 测试环境

启动时识别到的 NVMe 信息如下：

Expecting 2 drives... Connected to 2 drives! Drive 0 Info: Drive capacity is: 0x03b9e12b0 sectors Sector size is: 512 bytes Max Data Transfer size is: 262144 bytes Maximum Sector count is: 511 sectors Drive 1 Info: Drive capacity is: 0x03b9e12b0 sectors Sector size is: 512 bytes Max Data Transfer size is: 524288 bytes Maximum Sector count is: 1023 sectors

4. 启动报文区分

4.1 不带 Web 的 exFAT shell 启动报文

不带 Web 的程序完成 NVMe 初始化后，会先打印功能选择提示，需要用户输入x后才进入 exFAT shell。

Initialization complete Select x for exFAT shell, or d for original NVMe Host Demo: x Drive 0: mount failed: -3 Drive 0: no exFAT filesystem was found. Drive 1: mount failed: -3 Drive 1: no exFAT filesystem was found. exFAT shell mounted 0/2 detected drives. Current drive: 1.

该报文说明：

• Select x...是不带 Web 版本的入口选择提示。
• 用户输入x后进入 exFAT shell。
• 当 NVMe 未格式化为 exFAT 时，首次挂载会失败并提示no exFAT filesystem was found。
• 后续可通过f命令格式化当前盘，再重新挂载。

4.2 带 Web 的 exFAT shell web 启动报文

带 Web 的程序完成 NVMe 初始化后，不再等待x/d选择，而是直接启动 Web 文件服务器和 exFAT shell。

Initialization complete Starting Web file server and exFAT shell... Starting exFAT web server for 2/2 detected drives Drive 0: exFAT mounted Drive 1: exFAT mounted Start PHY autonegotiation autonegotiation complete link speed for phy address 7: 1000 Board IP: 192.168.4.10 Netmask : 255.255.255.0 Gateway : 192.168.4.1 Open http://192.168.4.10 HTTP socket server started on port 80 exFAT shell mounted 2/2 detected drives. Current drive: 1.

该报文说明：

• Starting Web file server and exFAT shell...是带 Web 版本的启动标志。
• Web server 与串口 exFAT shell 同时运行。
• 网口协商为 1000 Mbps。
• 浏览器访问地址为http://192.168.4.10。
• 当前记录中 Drive 0 和 Drive 1 均已成功挂载。

5. exFAT Shell 命令说明

串口 shell 启动后会打印命令列表：

Commands: s=select drive, m=mount/status, f=format current, i=info/capacity, l=list, c=cat, w=write text file, d=delete, b=benchmark menu, q=quit

6. Shell 功能测试

6.1 多盘选择测试

测试步骤：

1. 启动不带 Web 的 exFAT shell 程序。
2. 输入x进入 shell。
3. 执行s查看磁盘状态。
4. 输入目标磁盘编号，例如0或1。

期望结果：

Drive status: drive 0: not mounted, sector=512, max_lba=0x000000003b9e12b0 * drive 1: not mounted, sector=512, max_lba=0x000000003b9e12b0 Select drive index (Enter keeps 1): 0 Current drive set to 0 (not mounted).

判定标准：当前 shell 提示符切换为目标盘，例如exfat[0]>或exfat[1]>。

6.2 未挂载状态目录查看测试

测试步骤：

1. 在未格式化或未挂载的磁盘上执行l。

期望结果：

exfat[0]> l Current drive 0 is not mounted. Use f to format, m to remount, or s to switch.

判定标准：程序应提示当前盘未挂载，不应发生异常退出。

6.3 格式化测试

测试步骤：

1. 选择待格式化磁盘，例如 Drive 0。
2. 输入f。
3. 按提示输入FORMAT确认。

期望结果：

WARNING: this will erase drive 0 and create a new MBR + exFAT partition. Type FORMAT to continue: FORMAT Formatting selected NVMe drive as MBR + exFAT... Partition start LBA: 2048 Partition sectors: 0x000000003b9e0ab1 Cluster size: 262144 bytes Format complete. Drive 0: mounted exFAT volume. Mounted formatted volume on drive 0.

判定标准：

• 格式化完成后打印Format complete.。
• 当前盘自动挂载成功。
• 执行l可以正常列目录。

注意：f命令会擦除目标磁盘已有数据，执行前必须确认目标盘编号。

6.4 容量信息测试

测试步骤：

1. 在已挂载磁盘上执行i。

期望结果：

NVMe drive capacity: 476.94 GiB exFAT volume capacity: 476.94 GiB exFAT used clusters: 3, free clusters: 1953507 exFAT volume start LBA: 0x0000000000000800 Sector bytes: 512 Sectors per cluster: 512 Cluster count: 1953510 Root cluster: 4 Bitmap cluster: 2

判定标准：容量、扇区大小、每簇扇区数、簇数量和根目录簇号能正常显示。

6.5 文本文件写入和读取测试

测试步骤：

1. 在 Drive 1 上执行w。
2. 输入文件名1.txt。
3. 输入文本Hello SSD1!。
4. 执行l查看文件列表。
5. 执行c并输入1.txt读取文件内容。

期望结果：

exfat[1]> w New file name (max 15 ASCII chars): 1.txt One-line text: Hello SSD1! Created 1.txt on drive 1 exfat[1]> c File name: 1.txt First 11 bytes: Hello SSD1!

判定标准：文件创建成功，读取内容与写入内容一致。

6.6 删除文件测试

测试步骤：

1. 在 Drive 1 上执行d。
2. 输入1.TXT。
3. 执行l确认文件不存在。

期望结果：

exfat[1]> D Delete file name: 1.TXT Deleted 1.TXT from drive 1

判定标准：删除命令返回成功，目录列表中不再显示被删除文件。

7. Benchmark 测试

7.1 Benchmark 菜单

执行b后进入性能测试菜单：

Benchmark mode: 1=Write, 2=Read, 3=WriteReadVerify, 4=ParallelWrite, 5=ParallelRead (Enter=3):

7.2 单盘写测试记录

Drive 1，测试条件为 256 MiB，重复 10 次：

Benchmark drive 1 file: B000.BIN, mode=Write, test=1/10, size=256 MiB, qd=8, cmd=128 KiB Write tests completed: 10/10 Total: 2560 MiB, bytes=0x00000000a0000000, 20480 commands, 799116 us, avg 39019 ns/cmd, 3203.53 MiB/s

Drive 0，测试条件为 128 MiB，重复 5 次：

Write tests completed: 5/5 Total: 640 MiB, bytes=0x0000000028000000, 5120 commands, 186772 us, avg 36478 ns/cmd, 3426.63 MiB/s

判定标准：每次写入均生成对应Bxxx.BIN文件，最终输出Write tests completed和Total汇总。

7.3 单盘读测试记录

Drive 1，读取B000.BIN，重复 10 次：

Read tests completed: 10/10 Total: 2560 MiB, bytes=0x00000000a0000000, 20480 commands, 760128 us, avg 37115 ns/cmd, 3367.85 MiB/s

Drive 0，读取B000.BIN，重复 5 次：

Read tests completed: 5/5 Total: 640 MiB, bytes=0x0000000028000000, 5120 commands, 183157 us, avg 35772 ns/cmd, 3494.26 MiB/s

判定标准：每次读取无错误，最终输出Read tests completed和Total汇总。

7.4 写读校验测试记录

Drive 1，测试条件为 128 MiB：

Benchmark drive 1 file: B010.BIN, mode=WriteReadVerify, size=128 MiB, qd=8, cmd=128 KiB Write: 134217728 bytes, 1024 commands, 42927 us, avg 41919 ns/cmd, 2981.87 MiB/s Read: 134217728 bytes, 1024 commands, 38117 us, avg 37223 ns/cmd, 3358.08 MiB/s Verify: 134217728 bytes, 1024 commands, 61938120 us, avg 60486444 ns/cmd, 2.06 MiB/s Total: 402653184 bytes, 3072 commands, 62062755 us, avg 20202719 ns/cmd, 0.51 MiB/s

判定标准：

• Write 和 Read 阶段完成且无错误。
• Verify 阶段完成且未报校验失败。
• Verify 为完整数据校验，速度明显低于纯读写属于预期现象。

7.5 多盘并行写测试记录

测试条件为 2 块盘并行，每盘 64 MiB，重复 5 次：

ParallelWrite drives: 0 1 ParallelWrite test 1/5, drives=2, per-drive=64 MiB, qd=8, cmd=128 KiB ParallelWrite tests completed: 5/5 Total: 640 MiB, bytes=0x0000000028000000, 5120 commands, 132662 us, avg 25910 ns/cmd, 4824.29 MiB/s

判定标准：所有已挂载盘均参与并行写入，最终输出ParallelWrite tests completed和Total汇总。

7.6 多盘并行读测试记录

测试条件为 2 块盘并行读取B000.BIN，重复 5 次：

ParallelRead drives: 0:B000.BIN 1:B000.BIN ParallelRead test 1/5, drives=2, qd=8, cmd=128 KiB ParallelRead tests completed: 5/5 Total: 1920 MiB, bytes=0x0000000078000000, 15360 commands, 488476 us, avg 31801 ns/cmd, 3930.59 MiB/s

判定标准：所有已挂载盘读取完成，无文件不存在、读失败或校验错误。

7.7 Benchmark 汇总

以上速度来自串口测试记录中的软件计时输出，复测时应以当前固件版本、NVMe 型号、PCIe 链路状态和缓存策略下的实测结果为准。

8. Web 功能测试

8.1 Web 启动检查

测试步骤：

1. 下载带 Web 的程序。
2. 观察串口启动报文。
3. 确认打印Open http://192.168.4.10。
4. PC 网口设置到同一网段后，浏览器访问http://192.168.4.10。

期望结果：

Starting Web file server and exFAT shell... Starting exFAT web server for 2/2 detected drives Board IP: 192.168.4.10 Open http://192.168.4.10 HTTP socket server started on port 80

判定标准：

• 串口 shell 可继续输入命令。
• Web 页面可打开。
• Web 页面顶部显示已配置磁盘数量和已检测磁盘数量。

8.2 Web 页面 Drive 0 测试

测试内容：

1. 浏览器打开http://192.168.4.10。
2. 页面顶部显示NVMe exFAT Web。
3. 页面显示2 configured drives, 2 detected。
4. Drive 0 和 Drive 1 均显示mounted。
5. 下拉框选择Drive 0 - mounted。
6. 文件列表刷新为 Drive 0 的文件。

截图中 Drive 0 显示：

判定标准：Drive 0 卡片高亮，文件列表显示 Drive 0 下的B000.BIN、B001.BIN、0.txt等文件。

8.3 Web 页面 Drive 1 测试

测试内容：

1. 在同一页面下拉框选择Drive 1 - mounted。
2. 页面不跳转，文件列表切换为 Drive 1 的文件。
3. Drive 1 卡片高亮。
4. 可对 Drive 1 文件执行下载、上传和删除操作。

截图中 Drive 1 显示：

判定标准：Drive 1 文件列表显示B000.BIN至B013.BIN等文件，且 Size 列以 MiB 显示。

8.4 Web 文件操作测试

注意：Web 页面中的批量删除会直接删除当前选择磁盘上的目标文件，测试前应确认磁盘选择框是否指向正确 Drive。

9. 测试结论

根据现有测试记录，本次 exFAT shell 和 exFAT shell web 功能验证结果如下：

综合判断：当前工程已具备多 NVMe exFAT 文件系统的基础管理能力、串口交互测试能力、Web 文件管理能力和单盘/多盘读写性能测试能力，可作为后续多盘扩展和 Web 文件服务优化的测试基线。

10. 复测注意事项

1. 执行f格式化前必须确认当前提示符中的磁盘编号，例如exfat[0]>或exfat[1]>。
2. Web 页面文件操作依赖当前下拉框选择的 Drive，删除和上传前应确认目标盘。
3. 性能测试前应确认磁盘剩余容量足够，避免写入中途失败。
4. 多盘并行测试要求参与测试的磁盘均已挂载。
5. Web 访问前需确认 PC 与开发板处于同一网段，开发板 IP 为192.168.4.10。
6. Benchmark 结果会受 NVMe 型号、PCIe 链路、DDR 缓冲、缓存策略和当前固件版本影响。