如何使用Flash模擬EEPROM

在講解這篇博文前，首先要明白為什么使用Flash存儲(chǔ)來(lái)模擬EEPROM？

主要有以下幾個(gè)原因：

• 成本效益：許多微控制器(MCU)和系統(tǒng)芯片(SoC)內(nèi)置有Flash存儲(chǔ)，但沒(méi)有專門(mén)的EEPROM。使用已有的Flash存儲(chǔ)模擬EEPROM可以減少額外硬件成本。

• 更大的存儲(chǔ)容量：通常，F(xiàn)lash存儲(chǔ)提供比EEPROM更大的存儲(chǔ)容量。這使得在沒(méi)有犧牲太多物理空間的情況下可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)。

• 靈活性和可擴(kuò)展性：通過(guò)軟件，可以靈活地設(shè)計(jì)和調(diào)整EEPROM模擬的大小和結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。這種方法比使用固定大小的物理EEPROM更具可擴(kuò)展性。

• 數(shù)據(jù)持久性：盡管Flash存儲(chǔ)的寫(xiě)入次數(shù)有限，但它仍然能夠提供足夠的耐用性來(lái)滿足大多數(shù)應(yīng)用的需要。通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)管理，可以最大限度地延長(zhǎng)Flash存儲(chǔ)的壽命。

• 數(shù)據(jù)保護(hù)和安全性：許多現(xiàn)代微控制器提供了Flash存儲(chǔ)的安全功能，如寫(xiě)入保護(hù)、加密等，這有助于保護(hù)存儲(chǔ)在Flash中的數(shù)據(jù)不被未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)。

• 易于編程和集成：使用Flash存儲(chǔ)來(lái)模擬EEPROM可以充分利用現(xiàn)有的Flash編程工具和技術(shù)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

在使用Arduino開(kāi)發(fā)時(shí)，有個(gè)內(nèi)置庫(kù)可以使用Flash模擬EEPROM，極大方便了嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的開(kāi)發(fā)。

如果使用庫(kù)函數(shù)，只是知道調(diào)用API，很難理解Flash模擬EEPROM的原理和方法，本篇博文將以AT32F413（flash：256KB）這款MCU為例，詳細(xì)介紹如何使用Flash模擬EEPROM。

實(shí)現(xiàn)代碼：https://download.csdn.net/download/m0_38106923/88717668

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FLASH與EEPROM簡(jiǎn)介

FLASH和EEPROM都為非易失性存儲(chǔ)器，在斷電后數(shù)據(jù)仍然可以長(zhǎng)期保存，這為FLASH模擬 EEPROM提供了條件，F(xiàn)LASH與EEPROM特點(diǎn)對(duì)比如下表所示：

FLASH模擬EEPROM優(yōu)點(diǎn)：  

• 低成本：可節(jié)約一顆EEPROM芯片；  

• 存儲(chǔ)、讀取速度快：通訊速度快于使用I2C或者SPI通訊的EEPROM元件；  

• 抗干擾能力強(qiáng)：由于FLASH在單片機(jī)內(nèi)部，不會(huì)存在通訊總線被外部干擾的問(wèn)題；  

• 容量可調(diào)：可根據(jù)實(shí)際使用，靈活調(diào)整存儲(chǔ)空間大小。

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FLASH模擬EEPROM原理

2.1、EERPOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于FLASH在寫(xiě)入數(shù)據(jù)前，需要將FLASH數(shù)據(jù)先擦除為0xFF，而FLASH擦除時(shí)通常為扇區(qū)擦除，例如AT32F403A的扇區(qū)大小為2K字節(jié)，這個(gè)特性決定了不能簡(jiǎn)單將舊數(shù)據(jù)擦除然后寫(xiě)新數(shù) 據(jù)，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)在這個(gè)扇區(qū)內(nèi)的其他數(shù)據(jù)也被擦除，并且也會(huì)導(dǎo)致FLASH頻繁擦除而降低 其使用壽命。  

所以FLASH模擬EEPROM的思路是：

• 新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不影響舊數(shù)據(jù)； 

• 盡量減少FLASH擦除次數(shù)，延長(zhǎng)FLASH使用壽命。  

基于以上的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

EERPOM結(jié)構(gòu)

EEPROM由兩個(gè)頁(yè)組成：頁(yè)0和頁(yè)1，在使用的時(shí)候，1個(gè)頁(yè)處于有效狀態(tài)，另外一個(gè)頁(yè)處于擦除 狀態(tài)，讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)都在有效狀態(tài)的頁(yè)進(jìn)行。  

數(shù)據(jù)格式  

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù) + 數(shù)據(jù)地址，地址和數(shù)據(jù)都是16位方式存儲(chǔ)，每一次存儲(chǔ)占用32位也就是 4個(gè)字節(jié)。圖中data列為數(shù)據(jù)，data address列為數(shù)據(jù)地址，flash address列為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)際 flash地址偏移量。例如上圖中頁(yè)0的flash address=12處，數(shù)據(jù)為0x3003，數(shù)據(jù)地址為0x0002。  

頁(yè)狀態(tài)標(biāo)志  

在第一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，存儲(chǔ)頁(yè)狀態(tài)標(biāo)志status，頁(yè)狀態(tài)標(biāo)志有3種：  

• 有效狀態(tài)：EE_PAGE_VALID，status = 0x0000，讀取和寫(xiě)數(shù)據(jù)在此頁(yè)進(jìn)行；  

• 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移狀態(tài)：EE_PAGE_TRANSFER，status = 0xCCCC，另外一頁(yè)滿了，正在傳輸有效數(shù) 據(jù)到本頁(yè)；  

• 擦除狀態(tài)：EE_PAGE_ERASED，status = 0xFFFF。  數(shù)據(jù)寫(xiě)入  每一次寫(xiě)入數(shù)據(jù)前，都會(huì)從頁(yè)起始地址開(kāi)始尋找第一個(gè)未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的區(qū)域（值為0xFFFFFFFF），然后將待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)地址寫(xiě)到未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的區(qū)域。例如上圖中頁(yè)0的flash address = 20處，值 為0xFFFFFFFF，就是第一個(gè)未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的區(qū)域。  

當(dāng)知道了頁(yè)的大小后，就可以算出最大的變量存儲(chǔ)個(gè)數(shù)：頁(yè)容量/4-1。例如當(dāng)頁(yè)大小為1K時(shí)，最大 可存儲(chǔ)的變量數(shù)量為1024/4-1=255。需要注意的是，在實(shí)際使用中，應(yīng)該盡量留出較多的空閑容 量，這樣可以減小FLASH擦除次數(shù)，提高FLASH壽命。 

另外數(shù)據(jù)地址不可以超過(guò)最大能存儲(chǔ)的變量數(shù)量，例如當(dāng)頁(yè)大小為1K時(shí)，最大可存儲(chǔ)的變量數(shù)量為 1024/4-1=255，那么數(shù)據(jù)地址data address不可以大于255。

數(shù)據(jù)讀取  

每一次讀取數(shù)據(jù)都會(huì)從頁(yè)結(jié)束地址開(kāi)始向前尋找最后一個(gè)存儲(chǔ)的有效數(shù)據(jù)，例如現(xiàn)在要讀取地址為 0x0000的數(shù)據(jù)。從上圖中看到flash address = 4和flash address = 16都是地址為0x0000的數(shù) 據(jù)，因?yàn)樽詈笠淮未鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)為flash address = 16處的數(shù)據(jù)，所以此時(shí)讀取地址0x0000的數(shù)據(jù)為 0x1234。  

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移  

當(dāng)一頁(yè)數(shù)據(jù)存滿了之后，會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇臻e頁(yè)，將會(huì)執(zhí)行以下操作（以頁(yè)0滿，頁(yè)1空為例）：  

• 將頁(yè)1狀態(tài)標(biāo)記為數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)（EE_PAGE_TRANSFER）；  

• 將所有有效數(shù)據(jù)復(fù)制到頁(yè)1；  

• 擦除頁(yè)0；  

• 將頁(yè)1狀態(tài)標(biāo)記為有效狀態(tài)（EE_PAGE_VALID）。

EEPROM寫(xiě)入流程如下所示：

2.2、EERPOM物理結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)的EEPROM結(jié)構(gòu)如下圖所示，一個(gè)頁(yè)可以由1個(gè)或者多個(gè)扇區(qū)組成，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng) 用靈活的選擇扇區(qū)數(shù)量，扇區(qū)數(shù)量越多，可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量就越多。通常EEPROM存儲(chǔ)區(qū)定義在整 個(gè)FLASH末尾，這樣程序的燒錄、執(zhí)行和EEPROM區(qū)域互不影響。