FPGA PS侧或软核 的 EXFAT文件系统

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

项目	说明
FPGA/SoC 平台	Zynq UltraScale+ MPSoC
工程类型	裸机/FreeRTOS 应用，NVMe exFAT 文件系统测试
NVMe 数量	当前测试为 2 块
Sector Size	512 bytes
Drive 0 最大传输	262144 bytes
Drive 1 最大传输	524288 bytes
Web IP	192.168.4.10
Web 端口	80

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

命令	功能	说明
s	选择磁盘	在多个 NVMe 之间切换当前操作盘
m	挂载/状态	显示或重新挂载磁盘状态
f	格式化当前盘	创建 MBR + exFAT 分区，会清空目标盘
i	信息/容量	显示 NVMe 和 exFAT 卷容量、簇大小、空闲空间
l	列目录	显示当前盘根目录文件
c	读取文本文件	输入文件名后打印文件前若干字节
w	写文本文件	创建一个短文本文件
d	删除文件	删除当前盘指定文件
b	性能测试菜单	支持单盘写、单盘读、写读校验、多盘并行写、多盘并行读
q	退出	退出 shell

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):

模式	名称	测试内容
1	Write	在当前盘创建测试文件并写入指定大小数据
2	Read	读取指定测试文件，可重复多次
3	WriteReadVerify	写入、读取并进行完整校验
4	ParallelWrite	多盘并行写入
5	ParallelRead	多盘并行读取

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

测试项	条件	结果
Drive 1 Write	256 MiB x 10	3203.53 MiB/s
Drive 1 Read	256 MiB x 10	3367.85 MiB/s
Drive 1 WriteReadVerify	128 MiB x 1	Write 2981.87 MiB/s，Read 3358.08 MiB/s，Verify 2.06 MiB/s
Drive 0 Write	128 MiB x 5	3426.63 MiB/s
Drive 0 Read	128 MiB x 5	3494.26 MiB/s
ParallelWrite	2 drives，每盘 64 MiB x 5	4824.29 MiB/s
ParallelRead	2 drives，读取 B000.BIN x 5	3930.59 MiB/s

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：

字段	示例值
Capacity	488386.34 MiB
Used	961.00 MiB
Free	487416.50 MiB
Block	512 bytes

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：

字段	示例值
Capacity	488386.34 MiB
Used	3008.75 MiB
Free	485368.75 MiB
Block	512 bytes

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

功能	操作步骤	期望结果
切换磁盘	使用 Disk 下拉框选择 Drive 0 或 Drive 1	当前磁盘卡片高亮，文件列表刷新为对应磁盘
上传文件	选择文件后点击 Upload	文件上传到当前选择磁盘，完成后刷新列表
单文件下载	点击文件行右侧 download	浏览器开始下载该文件
批量下载	勾选多个文件后点击 Download selected	浏览器依次触发多个文件下载
批量删除	勾选多个文件后点击 Delete selected 并确认	选中文件从当前磁盘删除，页面刷新

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：

测试项	结论
NVMe 链路初始化	通过，2 块 NVMe 均识别成功
多盘状态显示	通过，可显示 Drive 0/Drive 1 状态
多盘切换	通过，s 命令可切换当前操作盘
exFAT 格式化	通过，Drive 0/Drive 1 均可格式化并挂载
容量查询	通过，可显示 NVMe 容量和 exFAT 卷信息
目录查看	通过，l 命令可列出根目录文件
文本写入/读取	通过，w 和 c 命令验证成功
文件删除	通过，d 命令可删除指定文件
单盘写测速	通过，Drive 0/Drive 1 均完成测试
单盘读测速	通过，Drive 0/Drive 1 均完成测试
写读校验	通过，完整校验完成
多盘并行写	通过，2 块盘并行写完成
多盘并行读	通过，2 块盘并行读完成
Web server 启动	通过，可打开 http://192.168.4.10
Web 多盘文件列表	通过，可通过下拉框切换 Drive 0/Drive 1
Web 文件上传/下载/删除	通过，页面提供对应操作入口

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。