APM32F4 Flash模擬EEPROM介紹和代碼實現(xiàn)

《APM32芯得》系列內(nèi)容為用戶使用APM32系列產(chǎn)品的經(jīng)驗總結(jié)，均轉(zhuǎn)載自21ic論壇極海半導(dǎo)體專區(qū)，全文未作任何修改，未經(jīng)原文作者授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。

1. Flash與EEPROM簡介

1.1 Flash簡介

Flash，又叫閃存。根據(jù)存儲單元電路的不同，分為NAND Flash和NOR Flash兩種。Nor Flash由于地址線和數(shù)據(jù)線是分開的，可以按字節(jié)讀寫數(shù)據(jù)。這種特性可以用來存儲和運行代碼，MCU內(nèi)部的Flash就是一種NOR Flash。

但是無論是哪種Flash，他們寫之前必須先進行擦除操作（因為只能將數(shù)據(jù)由1寫為0）。

1.2 EEPROM簡介

EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，即電可擦除可編程只讀存儲器，也是一種非易失性存儲區(qū)。EEPROM也是可以按字節(jié)讀寫數(shù)據(jù)的，但是寫入之前不需要先擦除數(shù)據(jù)。

1.3 Flash與EEPROM對比

Flash 與 EEPROM都屬于非易失性存儲器，他們都可以掉電保存數(shù)據(jù)。但他們也有很多的區(qū)別，下表列出了Flash與EEPROM的主要區(qū)別：

注：這里對比的Flash是MCU內(nèi)部的Flash

其實，在Linux的設(shè)備驅(qū)動歸類中，F(xiàn)lash其實是歸類到塊設(shè)備的，因為它的最小操作單元是扇區(qū)/塊，而EEPROM則是一種字符設(shè)備，最小操作單元是字節(jié)。

1.4 Flash模擬EEPROM的優(yōu)勢

節(jié)約成本，可減少EEPROM芯片的使用

讀寫速率快，MCU內(nèi)部的Flash讀寫速率要遠遠高于EEPROM

抗干擾能力強，MCU內(nèi)部的Flash沒有使用I2C、SPI這類通訊總線，不存在這類總線被干擾的問題。

2. Flash模擬EEPROM原理

在前面的對比，我們可以了解到，F(xiàn)lash與EEPROM最大的區(qū)別就是：

Flash寫之前需要擦除

Flash與EEPROM一次操作的數(shù)據(jù)大小不同。雖然MCU內(nèi)部的Flash和EEPROM一樣，可以實現(xiàn)按字節(jié)的讀寫，但是在寫入的時候，是必須要先按扇區(qū)擦除的，這里也可以說相當(dāng)于是一次操作的數(shù)據(jù)大小不同。

那么，我們Flash模擬EEPROM主要是模擬實現(xiàn)什么呢？主要實現(xiàn)的關(guān)鍵點有：

無需用戶擦除即可按字節(jié)讀寫（擦除操作封裝在函數(shù)內(nèi)部）

擦除數(shù)據(jù)時不能改變原來已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)（讀改寫策略）

盡量減少Flash擦除次數(shù)，延長Flash壽命（擦除之前先判斷是否已經(jīng)是擦除狀態(tài)）

具體如何實現(xiàn)？

讀操作

MCU內(nèi)部的Flash讀操作很簡單，直接像內(nèi)存一樣讀即可。例如讀0x08000000地址處的數(shù)據(jù)：

*(uint32_t *)0x08000000;

把0x08000000強制轉(zhuǎn)換為一個地址（指針），然后再解引用即可。

寫操作

由于Flash寫之前，都必須先要按照扇區(qū)進行擦除，所以會麻煩一點。而且，擦除數(shù)據(jù)的時候，我們不能把原有的數(shù)據(jù)都給擦了，所以可以使用讀改寫的策略。

寫數(shù)據(jù)之前，先在RAM中開辟一個與扇區(qū)相同大小的緩沖區(qū)。然后把要寫的扇區(qū)數(shù)據(jù)讀到緩存中，然后在緩存中改寫數(shù)據(jù)。最后再擦除扇區(qū)（會進行判斷，如果已經(jīng)是擦除狀態(tài)，則無需再次擦除），再把數(shù)據(jù)寫到扇區(qū)。

3. APM32F4系列Flash模擬EEPROM難點

3.1 APM32F4 Flash存儲器結(jié)構(gòu)

我們先了解下APM32F4的Flash存儲結(jié)構(gòu)：

我們主要看主存儲模塊，一共分為12個扇區(qū)，最小的是前面4個扇區(qū)16KB，最大的扇區(qū)大小是128KB。

前面我們說過，F(xiàn)lash模擬EEPROM的一個關(guān)鍵點就是，在寫數(shù)據(jù)的時候，不能改變Flash原有的數(shù)據(jù)。而且，解決辦法就是在RAM中開辟一塊和Flash扇區(qū)同樣大小的緩沖區(qū)。

3.2 難點和解決辦法

難點：

但問題是：APM32F4系列的RAM大小，給用戶使用的最大大小是128KB，和最大的Flash扇區(qū)大小是一樣大。我們不可能使用APM32F4后面的Flash扇區(qū)，作為模擬EEPROM實現(xiàn)的空間，因為根本沒有那么大的RAM空間作為緩存。

但也不能使用第一塊16KB的扇區(qū)大小進行模擬，因為第一個扇區(qū)是MCU上電啟動會自動取指令的扇區(qū)，如果這個區(qū)域存儲的不是合法的指令，那么會造成程序跑飛。

總結(jié)起來就是：

Flash扇區(qū)太大，導(dǎo)致RAM不足以開辟同樣大小的緩沖區(qū)

不能使用第一個扇區(qū)，因為那個扇區(qū)是MCU啟動固定使用的

如何解決：

提供上面分析，能留給我們進行Flash模擬EEPROM所使用的扇區(qū)就只有 1~3 這3個扇區(qū)符合要求。那么我們?nèi)绾问褂肍lash中間的扇區(qū)進行實驗?zāi)兀?/p>

我們可以定義一個const數(shù)組，然后使用編譯器屬性指定該數(shù)組在Flash的起始地址（比如我們指定起始地址就位于第1塊扇區(qū)的首地址），大小是用戶定義的Flash模擬EEPROM的大小。但是必須要必須要是扇區(qū)大小的整數(shù)倍。

代碼如下：

/* Specifies the start address of the sector. The purpose is to occupy a space at the specified address of MCU flash. */

static const uint8_t Flash_Para_Area[FLASH_EE_TOTAL_SIZE] __attribute__((section(".ARM.__at_0x08004000")));

/* The buffer that write or erase sector data */

static uint8_t Flash_EE_Ram_Buffer[FLASH_SECTOR_SIZE];

這個const的數(shù)組，其實在代碼中并沒有任何作用，它的目的就是占據(jù)這塊Flash空間，而不讓編譯器鏈接時，把代碼鏈接到這塊區(qū)域，因為這塊區(qū)域是要用于用戶存儲數(shù)據(jù)的，在這個過程中可能會被擦除。

3.3 APM32F4 Flash的存儲區(qū)域規(guī)劃

進過前面的分析和規(guī)劃，最終APM32F4 Flash的存儲區(qū)域劃分，如下圖：

第1~3這3個扇區(qū)可以劃分，作為Flash模擬EEPROM的區(qū)域，其他的扇區(qū)都是用于存放代碼的區(qū)域。

4. APM32F4系列Flash模擬EEPROM代碼介紹

可以先到Geehy官網(wǎng)，下載F4系列的SDK，然后隨便復(fù)制其中一個例程，在該例程編寫Flash模擬EEPROM的代碼實現(xiàn)。

4.1 相關(guān)宏定義

/* flash sector satrt address */

#define ADDR_FLASH_SECTOR_1 ((uint32_t)0x08004000) /* 16 Kbytes */

#define ADDR_FLASH_SECTOR_2 ((uint32_t)0x08008000) /* 16 Kbytes */

#define ADDR_FLASH_SECTOR_3 ((uint32_t)0x0800C000) /* 16 Kbytes */

/* flash sector size */

#define FLASH_SECTOR_SIZE ((uint32_t)(1024 * 16))

/* flash emulation eeprom total size. This value must be a multiple of 16KB */

#define FLASH_EE_TOTAL_SIZE ((uint32_t)(1024 * 16 * 2))

/* flash emulation eeprom sector start address, it's must be sector aligned */

#define FLASH_EE_START_ADDR ADDR_FLASH_SECTOR_1

/* flash emulation eeprom sector start address */

#define FLASH_EE_END_ADDR (ADDR_FLASH_SECTOR_1 + FLASH_EE_TOTAL_SIZE)

FLASH_SECTOT_SIZE：定義的Flash的扇區(qū)大小。不同系列的MCU，扇區(qū)大小不一樣。

FLASH_EE_TOTAL_SIZE：Flash模擬EEPROM的Flash總大小，該大小必須是扇區(qū)大小的整數(shù)倍。在F4上最多也只有3*16KB總大小。

FLASH_EE_START_ADDR：Flash模擬EEPROM的Flash起始地址，起始地址是必須要扇區(qū)對齊的。即只能是扇區(qū)的起始地址。

4.2 讀寫接口函數(shù)

我們在使用過程中，只需要使用讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)接口函數(shù)即可。

/*

* readAddr: 讀數(shù)據(jù)起始地址

* pData: 指針，指向保存讀出的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)

* len: 讀取數(shù)據(jù)的長度

*/

void Flash_EE_Read(uint32_t readAddr, uint8_t* pData, uint32_t len);

/*

* readAddr: 寫數(shù)據(jù)起始地址

* pData: 指針，指向需要寫入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)

* len: 寫入數(shù)據(jù)的長度

*/

void Flash_EE_Write(uint32_t writeAddr, uint8_t* pData, uint32_t len);

5. 另一種Flash模擬EEPROM方案介紹

前面介紹的，是Flash模擬EEPROM的其中一種方案。特點是直接對Flash進行操作，但也是實現(xiàn)了對Flash按字節(jié)的讀寫操作，而且不會改變Flash原有的存儲數(shù)據(jù)，而且還可以跨扇區(qū)進行讀寫數(shù)據(jù)。

另外，還有另一種Flash模擬EEPROM的實現(xiàn)方案。

5.1 數(shù)據(jù)存儲格式

該方案需要使用至少兩塊相同的扇區(qū)/頁，使用至少兩個相同大小的扇區(qū)/頁，其中一個扇區(qū)處于有效狀態(tài)，而另一個扇區(qū)處于擦除狀態(tài)。然后每4個字節(jié)分為：2字節(jié)data + 2字節(jié)virtual address 的存儲格式。具體數(shù)據(jù)存儲格式如下：

其中：

每個頁的第一個存儲區(qū)，保存當(dāng)前的頁狀態(tài)。

flash address：就是MCU flash的實際地址，在代碼中并沒有使用到，只用到頁起始和結(jié)束地址。

data：用戶存儲的數(shù)據(jù)。

virtual address：對應(yīng)數(shù)據(jù)的虛擬地址，在讀數(shù)據(jù)時，我們需要根據(jù)這個虛擬地址進行尋址。

存儲變量的個數(shù)：扇區(qū)大小 / 4 - 1。比如 2KB / 4 – 1 = 511，即最多可以存儲511個變量。

5.2 扇區(qū)/頁狀態(tài)

每個扇區(qū)/頁都有三種狀態(tài)：

有效狀態(tài)：該頁包含所有的有效數(shù)據(jù)，讀寫數(shù)據(jù)在該頁進行

擦除狀態(tài)：就是一個空的頁

數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：當(dāng)一個頁寫滿時，把已經(jīng)寫滿的頁的有效數(shù)據(jù)復(fù)制到本頁的狀態(tài)

5.3 數(shù)據(jù)更新過程

該方案有數(shù)據(jù)讀、寫、轉(zhuǎn)移三種過程：

寫數(shù)據(jù)：從頁起始地址開始尋址，找到第一個已經(jīng)被擦除的區(qū)域（比如前面的數(shù)據(jù)存儲格式的圖片，flash address = 24的位置），然后把數(shù)據(jù)和對應(yīng)的虛擬地址一起寫入。當(dāng)?shù)诙胃膶懲惶摂M地址處的值時，會在Flash新的位置，存儲該虛擬地址的值。比如比如前面圖片的flash address = 20的地址處，存儲的虛擬地址是0x7777，是第二次出現(xiàn)的虛擬地址，修改數(shù)據(jù)就是會這樣在新的位置存儲新的值。其中最后一次存儲的數(shù)據(jù)，才是有效數(shù)據(jù)。

讀數(shù)據(jù)：從頁結(jié)束地址開始尋址，找到對應(yīng)地址最后一次改變的數(shù)據(jù)（其實就是有效數(shù)據(jù)）。比如前面的數(shù)據(jù)存儲格式的圖片，有兩個0x7777地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)，只會返回最后一次改變的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移：當(dāng)頁0寫滿時，會把該頁的有效數(shù)據(jù)全部復(fù)制到另外一個空頁（頁1）。然后再擦除頁0，把頁1標記為有效狀態(tài)，再頁1繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。

6. 后續(xù)補充

目前，我只實現(xiàn)了Flash模擬EEPROM第一種方法的代碼。這里留個坑，我后續(xù)會實現(xiàn)APM32F4系列的第二種Flash模擬EEPROM的代碼。

如果還有時間的話，把APM32F1系列的MCU，也一起實現(xiàn)了Flash模擬EEPROM的代碼吧。

反正暫且先留個坑吧。