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存儲來模擬EEPROM？

主要有以下幾個原因：

• 成本效益：許多微控制器(MCU)和系統芯片(SoC)內置有Flash存儲，但沒有專門的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存儲的寫入次數有限，但它仍然能夠提供足夠的耐用性來滿足大多數應用的需要。通過適當的數據管理，可以最大限度地延長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，如寫入保護、加密等，這有助于保護存儲在Flash中的數據不被未經授權訪問。

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

在使用Arduino開發時，有個內置庫可以使用Flash模擬EEPROM，極大方便了嵌入式數據存儲的開發。

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。

實現代碼：https://download.csdn.net/download/m0_38106923/88717668

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FLASH與EEPROM簡介

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

FLASH模擬EEPROM優點：  

• 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，不會存在通訊總線被外部干擾的問題；  

• 容量可調：可根據實際使用，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在寫入數據前，需要將FLASH數據先擦除為0xFF，而FLASH擦除時通常為扇區擦除，例如AT32F403A的扇區大小為2K字節，這個特性決定了不能簡單將舊數據擦除然后寫新數 據，因為這樣會導致存儲在這個扇區內的其他數據也被擦除，并且也會導致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由兩個頁組成：頁0和頁1，在使用的時候，1個頁處于有效狀態，另外一個頁處于擦除 狀態，讀取或者寫入數據都在有效狀態的頁進行。  

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列為數據存儲的實際 flash地址偏移量。例如上圖中頁0的flash address=12處，數據為0x3003，數據地址為0x0002。  

頁狀態標志  

在第一個數據存儲區，存儲頁狀態標志status，頁狀態標志有3種：  

• 有效狀態：EE_PAGE_VALID，status = 0x0000，讀取和寫數據在此頁進行；  

• 數據轉移狀態：EE_PAGE_TRANSFER，status = 0xCCCC，另外一頁滿了，正在傳輸有效數 據到本頁；  

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

當知道了頁的大小后，就可以算出最大的變量存儲個數：頁容量/4-1。例如當頁大小為1K時，最大 可存儲的變量數量為1024/4-1=255。需要注意的是，在實際使用中，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最大能存儲的變量數量，例如當頁大小為1K時，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從頁結束地址開始向前尋找最后一個存儲的有效數據，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，所以此時讀取地址0x0000的數據為 0x1234。  

數據轉移  

當一頁數據存滿了之后，會將數據傳輸到空閑頁，將會執行以下操作（以頁0滿，頁1空為例）：  

• 將頁1狀態標記為數據傳輸狀態（EE_PAGE_TRANSFER）；  

• 將所有有效數據復制到頁1；  

• 擦除頁0；  

• 將頁1狀態標記為有效狀態（EE_PAGE_VALID）。

EEPROM寫入流程如下所示：

2.2、EERPOM物理結構

實現的EEPROM結構如下圖所示，一個頁可以由1個或者多個扇區組成，可以根據實際應 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FLASH末尾，這樣程序的燒錄、執行和EEPROM區域互不影響。