Попробуйте на нижнем уровне записать сектор с адресом 4Гб, не перезапишется ли на самом деле нулевой?

Попробую.
Но пока все еще чудесатее - я попробовал 16гб карточку форматнуть в устройстве, средствами FatFs - она ее на 3 гига форматнула!
Я потом на компе с геморроем ее восстановил!
Сама флешка нормальная, не с али
Да и проверил я ее, на всякий случай - записал 6 фильмов по полтора гига, все работают.

Проверяется флешка другими средствами : h2testw

Если на плате есть кроме карnы большая SPI флеш-память, я быписал туда весь лог вызовов FatFs ил отправлял бы лог на хост. Скорее всего где то переполнение или знаковое- беззнаковое сравнение.
А как портится содержимео фата? Вычитать WinHex порченую катрочку на физическом уровне и посмотреть где и что напорчено.

Мне кажется aaarrr правильно угадал - 4Гб это ограничение 32-битного целого. Где-то на нижнем уровне для адреса использовано 32-битное целое вместо 64-битного, после 4 Гб новые данные затирают таблицу разделов.

Ну это легко проверить, если писать данные с номером сектора внутри. Тольк по идее в MBR, и в копии таблиц фатов оно писать данные не будет, т.к это слишком тривиальная ошибка. Кстати, таблицы ФАТ кешированы ли и сбрасывались ли кеши после записи каждого файла?
А вот если перетерло MBR, то это почти точно не ошибка в FatFS, а в драйвере доступа к карте на уровне железа.

Тоже довольно спорный вопрос, во первых, не видел еще ни одного драйвера карты, где LBA не 32х битное число, а даже, если оно вдруг 24х битное, то все равно проблема должна была быть на 8м гиге, а не на 4м...

Я даже не сомневаюсь, что проблема не в FatFs а в драйвере, но он родной от ST, правда старый, 2011-го года, но какая разница, должен же был работать?

По заданным вопросам:
- я проверю флешку h2testw, но на 300% уверен что она не фейковая.
- затирается с 0-го сектора.

К сожеланию нет возможности заниматься этой проблемой все время, только "в фоновом режиме" от более важных задач. Пока используем 4гб карточки, на всякий случай.

Тест показал:

Allregia
Если у вас используется пример от ST с файлом stm324xg_eval_sdio_sd.c от 30.09.2011, то там ошибка в расчете адреса. Проверьте функции SD_ReadBlock, SD_ReadMultiBlocks, SD_WriteBlock, SD_WriteMultiBlocks. Тоже однажды столкнулся с таким поведением.

Есть предположение, что в какой-то части кода есть место, где проверяется тип карты - HC или обычная SC. В одном из случаев (карта SC) происходит домножение адреса на 512. Если переменная 32 бита, то может происходить переполнение.