第七章 分區表管理與使用

在ESP32中，分區表是定義Flash存儲區域的關鍵組成部分。它決定了應用程序、數據存儲和OTA更新等如何在芯片內部分配和管理，從而影響到整個應用的性能和功能。
本章將分為如下幾個小節：
7.1 分區表概述
7.2 分區表API函數

7.1 分區表概述
在ESP32開發中，分區表（Partition Table）是一個關鍵的系統組件，用於定義芯片上Flash存儲器的分配方式。通過分區表，可以指定Flash存儲的不同區域分別用來存放應用程序、文件系統、OTA更新數據等。簡單來講，分區表用於告訴ESP32設備如何劃分其內部的Flash存儲區域。每個分區都有特定的用途，例如：
1）factory分區：存儲應用程序固件。
2）ota分區：用於存儲空中下載（OTA）更新的固件。
3）nvs分區：用於存儲非易失性存的數據，常用於保存配置信息。
4）spiffs/fat分區：文件系統分區，用於存儲用户數據。
5）phy_init分區：專門用於存儲Wi-Fi和藍牙物理層初始化數據的區域
6）自定義分區：用於存儲用户的數據。
接下來，筆者將重點講解分區表的格式及分區表條目結構。通過化整為零的方式，我們將逐步瞭解分區表的各個組成部分，深入剖析每個元素的作用和意義。

7.1.1 分區表的格式
ESP32的分區表通常使用兩種格式來定義存儲空間的佈局：
1）csv格式：開發人員使用的格式，方便更改和配置各個分區的偏移地址和大小。它是易於閲讀和修改的文本文件。
2）bin格式：用於燒錄到設備的二進制文件。在編譯過程中，系統會將CSV格式的分區錶轉換為bin格式，供燒錄工具使用。
在編寫程序時，開發人員可以通過修改 .csv 文件來定義各個子分區，如應用程序代碼、OTA更新、SPIFFS文件系統等的存儲區域。當項目編譯時，CSV格式會自動轉化為BIN文件，並在燒錄設備時使用。下面我們來看一下本書籍提供的例程示例分區表，如下內容所示。

圖7.1.1.1 書籍示例的分區表
上圖中，分區的大小和偏移決定了每個分區在閃存中的位置和空間分配，以下是各個子分區的描述內容：
1，nvs分區：用於存儲非易失性存儲數據，通常用於保存設備的配置參數。它從地址0x9000開始，佔用24KB的空間。這部分存儲器為設備提供了一個可以在斷電後仍然保存數據的區域。
2，phy_init分區：用於存儲物理層初始化數據，主要用於Wi-Fi或藍牙的硬件配置。該分區從地址0xF000開始，佔用4KB的存儲空間。
3，factory分區：是設備默認的應用程序存儲區，它從地址0x10000開始，佔用1MB的空間。設備上電後，會從這個分區加載並運行主要的程序代碼。
4，vfs分區：用於FAT文件系統存儲，適合用於文件操作或存儲大容量數據。它從地址0x200000 開始，佔用10MB的空間，通常用於掛載外部存儲設備，如SD卡。
5，storage分區：用於SPIFFS文件系統，適合存儲小型文件或嵌入式應用中的配置數據。該分區從地址0xC00000開始，佔用4MB的空間。
為了幫助讀者更好地理解分區表，以下將以圖形化的形式進行描述，如下圖所示。

圖7.1.1.2 16MB Flash劃分區域示意圖
從上圖可知。用户可根據需求調整分區的大小和偏移位置，但筆者建議儘量不要修改啓動區域和分區表燒入區域，保持默認設置。這有助於避免潛在的啓動問題和系統不兼容情況，從而確保系統的穩定性和正常運行。值得注意的是：Factory /OTA等程序存儲分區視為加密分區，用户不可隨意修改。
綜上所述，分區表是用户為系統準備的Flash區域劃分目錄，系統從地址0x8000讀取分區表信息，以瞭解區域的範圍、大小及各自的功能和作用。

7.1.2 分區表條目結構
分區表中的每個條目都由以下幾個部分組成：
1，Name：分區的名稱，用於標識該分區的具體用途。
2，Type：分區的類型，主要分為 app（應用程序） 和 data（數據）。
3，SubType：分區的子類型，用於進一步説明數據的用途，例如 nvs（非易失性存儲）、phy（物理初始化數據）、fat（FAT文件系統）和 spiffs（SPIFFS文件系統）。
4，Offset：分區在閃存中的起始地址，通常以十六進制表示。
根據這些關鍵字段，系統能夠精確定位每個分區並執行相應操作。例如，系統通過Name字段識別分區的用途；通過Type和SubType進一步明確數據的類型和處理方式；Offset則幫助系統找到分區在閃存中的起始位置和大小。這些信息使系統能夠準確地進行讀寫、擦除等操作，從而確保分區操作的可靠性和有效性。
根據樂鑫ESP-IDF編程指南所示，分區表的長度為0xC00字節，最多可容納95條分區表條目，也就是説每個條目佔用32字節（3072 （0xC00十進制數值）÷ 95 = 32）。接下來，我們來看一下在ESP-IDF（SDK）程序中如何定義分區表結構體，以下是相關代碼：

/**
 * @brief       ESP32 分區結構體
 */
typedef struct 
{ 
    esp_flash_t* flash_chip;            /* 指向所使用的 Flash 芯片的指針 */
    esp_partition_type_t type;          /* 分區的類型 */
    esp_partition_subtype_t subtype;    /* 分區的子類型 */
    uint32_t address;                   /* 分區在閃存中的起始地址 */
    uint32_t size;                      /* 分區的大小 */
    uint32_t erase_size;                /* 分區的擦除大小 */
    char label[17];               /* 分區的標籤，最多可包含16個字符（末尾包含終止符）*/
    bool encrypted;                     /* 是否啓用加密 */
    bool readonly;                      /* 是否為只讀分區 */
} esp_partition_t;

很多人認為，通過調用sizeof(esp_partition_t)可以獲取分區表條目的大小，其實並不完全正確。因為每個分區表條目由Name、Type、SubType和Offset組成，上述結構體成員變量僅部分描述了這一結構。下面筆者將基於分區表條目的組成，對esp_partition_t結構體進行一次縮減，代碼如下：

/**
 * @brief       ESP32 分區結構體
 */
typedef struct 
{ 
    esp_partition_type_t type;          /* 分區的類型 */
    esp_partition_subtype_t subtype;    /* 分區的子類型 */
    uint32_t address;                   /* 分區在閃存中的起始地址 */
    char label[17]; /* 分區的標籤，最多可包含16個字符（末尾包含終止符） */
} esp_partition_t;

這樣我們就可以得到描述每個條目的結構體，然後使用sizeof(reduced_esp_partition_t)來獲取分區表條目的大小。經過系統計算，最終得出的大小接近32字節。這確認了每個條目的存儲結構符合預期。
注意：為確保分區表的完整性，系統在分區表末尾附加了MD5校驗和（根據分區表內容計算，可在設備啓動階段用於驗證分區表的完整性），以便在運行時進行驗證。整個分區表佔據一個完整的Flash扇區，大小為0x1000（4KB）。因此，緊隨分區表之後的任何分區，其起始地址必須位於默認偏移地址 + 0x1000處，以避免與分區表區域重疊。這種設計確保了分區表與其他數據區域的安全隔離，並有助於系統在啓動時正確加載各個分區。
若讀者想關閉MD5校驗和操作，則可以在Menuconfig菜單配置下失能MDK5校驗和，如下圖所示。

圖7.1.2.1 Menuconfig菜單下失能MDK5校驗和
在上圖中，取消勾選紅色框中的選項即可關閉MD5校驗和。

7.2 分區表API函數
esp_partition組件是ESP-IDF中用於管理ESP32及其系列芯片上Flash分區的關鍵組件。它提供了一組高層次的API函數，允許開發者方便地訪問和操作定義在分區表中的各個分區。這些高層次的API函數為開發者提供了簡潔易用的接口，以進行讀取、寫入、擦除分區內容等操作。這些分區表API函數可以在components/esp_partition/include/esp_partition.h路徑下找到。
1，根據一個或多個參數查找第一個分區esp_partition_find_first
該函數是用於根據一個或多個參數查找第一個分區，該函數原型如下所示：

const esp_partition_t *esp_partition_find_first(esp_partition_type_t type,
                                                esp_partition_subtype_t subtype,
                                                const char *label)

函數形參：

表7.2.1 esp_partition_find函數函數描述
返回值：
句柄：指向 esp_partition_t 結構體的指針。
NULL：未找到分區。
2，從分區中讀取數據esp_partition_read
該函數是用於從分區中讀取數據，該函數原型如下所示：

esp_err_t esp_partition_read( const esp_partition_t* partition,
                              size_t src_offset, void* dst, size_t size)

函數形參：

表7.2.2 esp_partition_read函數函數描述
返回值：
ESP_OK：讀取成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG：超過分區大小。
ESP_ERR_INVALID_SIZE：讀取會超出分區邊界。
3，將數據寫入分區esp_partition_write
該函數是用於將數據寫入分區，該函數原型如下所示：

esp_err_t esp_partition_write( const esp_partition_t* partition,
                               size_t dst_offset, void* src, size_t size)

函數形參：

表7.2.3 esp_partition_write函數函數描述
返回值：
ESP_OK：如果數據寫入成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG：如果 dst_offset 超出了分區大小。
ESP_ERR_INVALID_SIZE：如果寫入範圍超出了分區邊界。
ESP_ERR_NOT_ALLOWED：如果分區為只讀。
4，擦除分區的一部分區域esp_partition_erase_range
該函數是用於擦除分區的一部分，該函數原型如下所示：

esp_err_t esp_partition_erase_range(const esp_partition_t *partition,
                                    size_t offset, size_t size)

函數形參：

表7.2.4 esp_partition_erase_range函數函數描述
返回值：
ESP_OK：如果範圍擦除成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG：如果傳入的參數無效（如 iterator 或 dst 為 NULL）。
ESP_ERR_INVALID_SIZE：如果擦除範圍超出了分區邊界。
ESP_ERR_NOT_ALLOWED：如果分區為只讀。
上述列舉的函數是訪問和操作分區表時常用的API函數。若需進一步瞭解或學習其他剩餘的分區表API函數，可查閲esp_partition.h頭文件。如果讀者想了解這些函數的使用方法，可以查看本書提供的示例28_chinese_display下的fonts.c文件，筆者使用這些函數將GBK字庫更新至storage分區，並完成了漢字顯示實驗。