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)和系統芯片(SoC)內置有Flash存儲，但沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的EEPROM。使用已有的Flash存儲模擬EEPROM可以減少額外硬件成本。

• 更大的存儲容量：通常，Flash存儲提供比EEPROM更大的存儲容量。這使得在沒(méi)有犧牲太多物理空間的情況下可以存儲更多數據。

• 靈活性和可擴展性：通過(guò)軟件，可以靈活地設計和調整EEPROM模擬的大小和結構，以適應不同的應用需求。這種方法比使用固定大小的物理EEPROM更具可擴展性。

• 數據持久性：盡管Flash存儲的寫(xiě)入次數有限，但它仍然能夠提供足夠的耐用性來(lái)滿(mǎn)足大多數應用的需要。通過(guò)適當的數據管理，可以最大限度地延長(cháng)Flash存儲的壽命。

• 數據保護和安全性：許多現代微控制器提供了Flash存儲的安全功能，如寫(xiě)入保護、加密等，這有助于保護存儲在Flash中的數據不被未經(jīng)授權訪(fǎng)問(wèn)。

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

在使用Arduino開(kāi)發(fā)時(shí)，有個(gè)內置庫可以使用Flash模擬EEPROM，極大方便了嵌入式數據存儲的開(kāi)發(fā)。

如果使用庫函數，只是知道調用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，詳細介紹如何使用Flash模擬EEPROM。

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

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FLASH與EEPROM簡(jiǎn)介

FLASH和EEPROM都為非易失性存儲器，在斷電后數據仍然可以長(cháng)期保存，這為FLASH模擬 EEPROM提供了條件，FLASH與EEPROM特點(diǎn)對比如下表所示：

FLASH模擬EEPROM優(yōu)點(diǎn)：  

• 低成本：可節約一顆EEPROM芯片；  

• 存儲、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：由于FLASH在單片機內部，不會(huì )存在通訊總線(xiàn)被外部干擾的問(wèn)題；  

• 容量可調：可根據實(shí)際使用，靈活調整存儲空間大小。

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FLASH模擬EEPROM原理

2.1、EERPOM數據結構

由于FLASH在寫(xiě)入數據前，需要將FLASH數據先擦除為0xFF，而FLASH擦除時(shí)通常為扇區擦除，例如AT32F403A的扇區大小為2K字節，這個(gè)特性決定了不能簡(jiǎn)單將舊數據擦除然后寫(xiě)新數 據，因為這樣會(huì )導致存儲在這個(gè)扇區內的其他數據也被擦除，并且也會(huì )導致FLASH頻繁擦除而降低 其使用壽命。  

所以FLASH模擬EEPROM的思路是：

• 新數據存儲不影響舊數據； 

• 盡量減少FLASH擦除次數，延長(cháng)FLASH使用壽命。  

基于以上的考慮，我們設計了以下存儲結構：

EERPOM結構

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)入數據都在有效狀態(tài)的頁(yè)進(jìn)行。  

數據格式  

存儲的數據格式為數據 + 數據地址，地址和數據都是16位方式存儲，每一次存儲占用32位也就是 4個(gè)字節。圖中data列為數據，data address列為數據地址，flash address列為數據存儲的實(shí)際 flash地址偏移量。例如上圖中頁(yè)0的flash address=12處，數據為0x3003，數據地址為0x0002。  

頁(yè)狀態(tài)標志  

在第一個(gè)數據存儲區，存儲頁(yè)狀態(tài)標志status，頁(yè)狀態(tài)標志有3種：  

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

• 數據轉移狀態(tài)：EE_PAGE_TRANSFER，status = 0xCCCC，另外一頁(yè)滿(mǎn)了，正在傳輸有效數 據到本頁(yè)；  

• 擦除狀態(tài)：EE_PAGE_ERASED，status = 0xFFFF。  數據寫(xiě)入  每一次寫(xiě)入數據前，都會(huì )從頁(yè)起始地址開(kāi)始尋找第一個(gè)未存儲數據的區域（值為0xFFFFFFFF），然后將待寫(xiě)入的數據和數據地址寫(xiě)到未存儲數據的區域。例如上圖中頁(yè)0的flash address = 20處，值 為0xFFFFFFFF，就是第一個(gè)未存儲數據的區域。  

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

另外數據地址不可以超過(guò)最大能存儲的變量數量，例如當頁(yè)大小為1K時(shí)，最大可存儲的變量數量為 1024/4-1=255，那么數據地址data address不可以大于255。

數據讀取  

每一次讀取數據都會(huì )從頁(yè)結束地址開(kāi)始向前尋找最后一個(gè)存儲的有效數據，例如現在要讀取地址為 0x0000的數據。從上圖中看到flash address = 4和flash address = 16都是地址為0x0000的數 據，因為最后一次存儲的數據為flash address = 16處的數據，所以此時(shí)讀取地址0x0000的數據為 0x1234。  

數據轉移  

當一頁(yè)數據存滿(mǎn)了之后，會(huì )將數據傳輸到空閑頁(yè)，將會(huì )執行以下操作（以頁(yè)0滿(mǎn)，頁(yè)1空為例）：  

• 將頁(yè)1狀態(tài)標記為數據傳輸狀態(tài)（EE_PAGE_TRANSFER）；  

• 將所有有效數據復制到頁(yè)1；  

• 擦除頁(yè)0；  

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

EEPROM寫(xiě)入流程如下所示：

2.2、EERPOM物理結構

實(shí)現的EEPROM結構如下圖所示，一個(gè)頁(yè)可以由1個(gè)或者多個(gè)扇區組成，可以根據實(shí)際應 用靈活的選擇扇區數量，扇區數量越多，可以存儲的數據量就越多。通常EEPROM存儲區定義在整 個(gè)FLASH末尾，這樣程序的燒錄、執行和EEPROM區域互不影響。