Belajar Firmware Engineer - Storage & Filesystem

#Pendahuluan

Setelah di episode 16 kita menjamin timing, pada episode ini kita menjamin data tetap ada. Banyak produk harus menyimpan data meski listrik mati: log sensor, konfigurasi, state terakhir, sertifikat. Menulis ke flash bukan seperti menulis ke file di PC — flash punya aturan keras yang, jika dilanggar, merusak perangkat.

Mengapa topik ini penting? Karena kesalahan storage adalah kategori bug paling jahat: perangkat bisa "lupa" konfigurasi, mengembalikan data korup, atau — jika wear leveling diabaikan — flash-nya aus lebih cepat dan perangkat mati total setelah beberapa bulan. Di episode ini kita membangun pemahaman yang akan menyelamatkan produk kalian dari semua itu.

#Karakteristik Flash

Flash memory (NOR di kebanyakan MCU, atau SPI flash eksternal) punya tiga aturan fundamental:

1. Tidak bisa menimpa 1→0 — hanya bisa menulis 1, dan erase (ke 1) dilakukan per sector/block (misal 4 KB), bukan per byte.
2. Erase punya batas — setiap sector hanya tahan 10.000 – 100.000 siklus program/erase (P/E cycles).
3. Menulis lambat — apalagi erase; jangan lakukan di jalur real-time.

Menyimpan counter log tiap detik di sector yang sama
= 86.400 erase/hari = aus dalam hitungan hari.
Maka: BUTUH wear leveling + filesystem yang mengelolanya.

#Pilihan Filesystem

Ada dua kategori utama untuk firmware:

LittleFS dirancang khusus untuk flash kecil yang kehilangan daya sewaktu-waktu — sangat cocok untuk SPI NOR flash dan konfigurasi. FATFS cocok saat kalian perlu SD card yang bisa dibaca PC, atau perangkat dengan media berkontroller.

#Wear Leveling dan Power-Loss

#Wear Leveling

Mekanisme yang menyebar write ke seluruh blok agar tidak ada sector yang "aus" lebih dulu. LittleFS melakukannya secara otomatis di lapisan metadata; kalian tetap harus menghindari menulis file yang sama terus-menerus dalam waktu pendek.

#Power-Loss Resilience

Listrik bisa mati kapan saja — di tengah penulisan, di tengah erase. LittleFS menggunakan copy-on-write: tulis dulu ke tempat baru, lalu update metadata; jika daya putus, data lama tetap utuh (atau transisi yang terdefinisi).

#NVS: Penyimpanan Key-Value

Untuk konfigurasi kecil, filesystem sering berlebihan. NVS (Non-Volatile Storage) menyediakan key-value sederhana dengan wear leveling — bawaan di ESP-IDF (nvs_flash), dan pola serupa ada di STM32/Zephyr:

nvs_handle_t h;
nvs_open("config", NVS_READWRITE, &h);
nvs_set_u32(h, "brightness", 128);   // simpan nilai
nvs_commit(h);                       // tulis ke flash
nvs_close(h);

NVS ideal untuk: brightness, koneksi tersimpan, counter boot, flags. Data besar (log, gambar) tetap butuh filesystem.

#Praktik: Storage dengan LittleFS

Skema praktis: SPI NOR flash eksternal (misal W25Q128) + LittleFS untuk log dan konfigurasi:

#include "lfs.h"
lfs_t lfs;                       // instance filesystem
 
static int read_flash(const struct lfs_config *c, lfs_block_t b,
                      lfs_off_t off, void *buf, lfs_size_t size) {
    // baca sektor dari SPI flash -> buf
}
 
static int prog_flash(const struct lfs_config *c, lfs_block_t b,
                      lfs_off_t off, const void *buf, lfs_size_t size) {
    // tulis (program) data ke flash
}
 
static int erase_flash(const struct lfs_config *c, lfs_block_t b) {
    // erase satu block
}
 
void storage_init(void) {
    struct lfs_config cfg = {0};
    cfg.read = read_flash;
    cfg.prog = prog_flash;
    cfg.erase = erase_flash;
    cfg.read_size = 1;
    cfg.prog_size = 256;
    cfg.block_size = 4096;          // ukuran sector flash
    cfg.block_count = 4096;         // total sector
    cfg.cache_size = 256;
    cfg.lookahead_size = 256;
 
    if (lfs_mount(&lfs, &cfg) != LFS_ERR_OK) {
        lfs_format(&lfs, &cfg);     // flash kosong/korup -> format
        lfs_mount(&lfs, &cfg);
    }
 
    // tulis file konfigurasi
    lfs_file_t f;
    lfs_file_open(&lfs, &f, "/cfg.bin", LFS_O_RDWR | LFS_O_CREAT);
    lfs_file_write(&lfs, &f, "hello", 5);
    lfs_file_close(&lfs, &f);
}

Perhatikan: lfs_mount gagal → format → mount ulang. Untuk log, gunakan mode append dan jangan buka-tutup file di setiap detik — buffer dulu, flush berkala.

#Kesalahan Umum Storage

1. Menulis flash tanpa wear leveling — flash aus dalam minggu/bulan.
2. Format ulang saat mount gagal — data pengguna hilang untuk error sementara.
3. Config tanpa checksum/versi — data korup dibaca seperti data valid.
4. Write di jalur real-time — erase/write lambat; lakukan async di task rendah.
5. Mengabaikan power-loss — file setengah tertulis menjadi data sampah.
6. File dibuka-tutup terlalu sering — wear + overhead; buffer + flush.

#Penutup

Inti yang harus dibawa pulang:

• Flash: erase per sector, P/E terbatas, tulis lambat — atur dengan filesystem.
• LittleFS untuk SPI NOR (wear leveling + power-loss safe); FATFS untuk SD/interop.
• NVS key-value untuk konfigurasi kecil.
• Praktik: mount → tulis → flush → checksum + versi di data penting.
• Hindari write di jalur real-time dan format ulang sembrono.

Di episode 18 selanjutnya kita mengamankan semuanya: Firmware Security — secure boot, kriptografi, anti-tamper, dan hardening firmware agar perangkat tidak bisa dibajak. Produk kalian akan kebal terhadap serangan!