Chapter 11

NVS 系ストレージ — ESP-IDF NVS・Zephyr NVS・キー値の共通形

この章のゴール.
ESP-IDF NVS と Zephyr NVS を読み解け、 10 章の NVM3 と合わせて「追記型キー値ストアの共通パターン」を身につけること。対象が変わっても「エントリ・世代・最新版」という同じ見方が使えることを確認する。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. CRC（03 章 8 節）、オフセット（03 章 1 節）、固定長（03 章 5 節）、QEMU（04 章 6 節）、マップ（04 章 2 節）、テーブル（07 章 6 節）、文字列（07 章 6 節）、Storage（08 章 2 節）、NVM3（10 章 1 節）、ページ（10 章 4 節）

1. 「NVS」という名前の重複に注意

NVS（Non-Volatile Storage）は一般名詞で、複数の別物がこの名を使う。

名前	提供元	対象チップ
ESP-IDF NVS	Espressif	ESP32 系
Zephyr NVS	Zephyr RTOS	汎用（Nordic、STM32、NXP…）
Zephyr NVS の後継 ZMS	Zephyr（新しい版）	汎用

構造は違うが、追記型のキー値ストアという思想は 10 章の NVM3 と共通である。まず ESP-IDF NVS を詳しく、次に Zephyr NVS、最後に共通パターンをまとめる。

2. ESP-IDF NVS の構造

ESP32 のフラッシュは、先頭付近のパーティションテーブル（オフセット 0x8000、マジック 0xAA 0x50）で領域が分かれる。その中の nvs タイプのパーティションが NVS である。

esptool.py read_flash 0x9000 0x6000 nvs.bin      # パーティションテーブルで示された nvs 領域
# パーティションテーブル自体を読む
esptool.py read_flash 0x8000 0xC00 pt.bin
gen_esp32part.py pt.bin                           # 人が読める表に

NVS 領域は 4 KB のページに分かれ、各ページは次の構成。

部分	大きさ	内容
ページヘッダ	32 バイト	状態（active / full / freeing）、シーケンス番号、CRC
エントリ状態ビットマップ	32 バイト	各エントリが「空 / 書込済 / 消去済」のどれか（2 ビット × 126）
エントリ	32 バイト × 126	実際のキー値データ

各エントリ（32 バイト）の形:

オフセット	内容
0x00	Namespace インデックス（キーをグループ分けする番号）
0x01	Type（u8/i8/…/u32/i64/string/blob）
0x02	Span（このエントリが占める 32 バイト単位の数。長い値は複数エントリ）
0x03	ChunkIndex（blob を分割したときの断片番号）
0x04	CRC32
0x08	Key（最大 15 文字の NUL 終端文字列 + 予約）
0x18	Value（小さい値はここに直接。大きい値は後続エントリを指す）

ESP-IDF NVS: 4KB ページ + 状態ビットマップ + 32 バイトエントリ（Namespace + 文字列キー）

読み方:

ページヘッダのシーケンス番号で、ページの新旧順を決める
エントリ状態ビットマップで「書込済」のエントリだけを見る（消去済みは飛ばす）
各エントリの Namespace・Key・Type・Value を読む
同じ Namespace + Key が複数あれば、新しいページ・後ろのエントリが最新（また追記型）
Type が string / blob なら、Span 分の後続エントリをつないで値を組み立てる

公式ツール

ESP-IDF 5.x には解析ツールがある（版により名前が違う）。

python nvs_tool.py nvs.bin                       # キー値を一覧（ESP-IDF 5.x）
# 生成側（参考）
python nvs_partition_gen.py generate in.csv out.bin 0x6000

esp-idf-nvs-partition-gen とコミュニティ製の nvs_read / パーサも使える。

3. Zephyr NVS の構造

Zephyr NVS は、10・11 章の中で最もシンプルな追記型で、16 ビットの ID をキーにする（キーは文字列ではなく番号。NVM3 に近い）。

構造の要点:

フラッシュ領域をセクタ（消去ブロック単位）に分ける
各書き込みは、データを領域の前方から、メタデータ（Allocation Table Entry、ATE）を領域の後方から、互いに向かって伸ばす（両端から詰める）
ATE は「ID・データのオフセット・長さ・CRC」を持つ固定長の記録。後方に新しい ATE ほど手前に積まれる
同じ ID の値を更新すると、新しい ATE が追記され、古い ATE は残る（最新の ATE が有効）
セクタが満杯になると、有効な最新データだけ次のセクタへコピーして古いセクタを消す

Zephyr NVS は 16 ビット ID。データは前方、ATE は後方から両端で詰める

Zephyr のソース（subsys/fs/nvs/nvs.c）に ATE 構造体（struct nvs_ate）の定義があり、これが仕様書になる。後継の ZMS（Zephyr Memory Storage）は、消去操作を必要としないメモリ（RRAM・MRAM）や大容量フラッシュも扱えるように設計が拡張されている。

4. 追記型キー値ストアの共通パターン

10 章の NVM3、この章の ESP-IDF NVS と Zephyr NVS は、細部は違っても同じ 5 つの部品を持つ。一度この型を覚えると、初めて見る独自ストレージも読める。

部品	NVM3	ESP-IDF NVS	Zephyr NVS
区画を分ける単位	ページ（消去ブロック）	4 KB ページ	セクタ
世代の順序	消去カウンタ	ページのシーケンス番号	ATE の並び順（後方から）
キー	20 ビット番号	Namespace + 文字列	16 ビット ID
エントリの状態	型 / 削除マーカ	状態ビットマップ	ATE の有無・CRC
最新版の決定	後に書かれたもの	後に書かれたもの	後の ATE

解析の共通手順:

区画を消去ブロック（ページ / セクタ）に区切る
各ブロックの世代番号を読み、新旧を並べる
各ブロックから有効なエントリを拾う（状態フラグ・削除マーカを見て、消去済みは飛ばす）
全エントリを集め、同じキーは最新世代のものを採用
値の型に従って中身を解釈する（03 章）

細部は違っても、区画・世代・キー・状態・最新版の 5 部品と 5 手順は共通

5. 履歴とセキュリティ

10 章と同じく、追記型なので過去の値が残る。

障害解析: あるキーが「いつ、どの値から、どの値へ」変わったかを、世代順に並べれば追える
セキュリティ: 消したはずの Wi-Fi パスワードや鍵が、古いエントリに平文で残っていないか（13 章）

6. マウントできる実装もある

ESP-IDF NVS には FUSE 経由のツールが、Zephyr は QEMU / ネイティブ実行でストレージを再現する手段があるが、解析目的ならダンプを直接パースするのが速くて確実である。専用ツール（nvs_tool.py）→ 手動パースの順に試す。

7. 手を動かす

3 つのストアを同じ型で読む

この章のポイント

「NVS」は複数の別物（ESP-IDF・Zephyr）。だが追記型キー値ストアという思想は NVM3 と共通
ESP-IDF NVS: 4 KB ページ + 状態ビットマップ + 32 バイトエントリ（Namespace + 文字列キー + Type + Value）
Zephyr NVS: 16 ビット ID、データは前方・ATE は後方から両端で詰める
共通の 5 部品（区画・世代・キー・状態・最新版）と 5 手順で、初見のストアも読める
ここでも古い値が履歴として残る。ソース（nvs.c）が仕様書