单片机-FLASH软件模拟EEPROM，提升flash保存重要参数的使用寿命
目录
1. FLASH和EEPROM读写数据的对比
2. FLASH模拟EEPROM的原理
3. FLASH模拟EEPROM的优点
4. 实战项目工程代码
1. FLASH和EEPROM读写数据的对比
1.1 擦除操作
- EEPROM通常支持按单字节擦除和写入，这一特性使其非常适合需要频繁更新小量数据的应用场景。
- Flash存储器通常是按块、扇区、页擦除的，这意味着即使只更改一个字节的数据，也需要擦除整个扇区或页。
1.2 写入速度
- EEPROM的写入速度通常比Flash快，尤其是在擦除和重新编程单个字节时。
- Flash的写入速度较慢，特别是在擦除操作期间，因为它涉及到更大的存储区域。
1.3 写入次数限制
- EEPROM和Flash都有写入次数限制，但EEPROM通常设计为能够承受更多的擦写循环，通常达到百万次级别。
- Flash存储器的擦写次数限制较低，通常在10,000到100,000次之间;对于频繁擦写数据的操作，易造成flash损坏。
1.4 数据保持能力
- EEPROM 的数据保持时间通常较长，一般可达到 20 年以上，这使得它非常适合长期保存关键数据的应用场景。
- FLASH 的数据保持时间通常在 10 年左右，虽然也能满足大多数应用的需求，但相较于 EEPROM 仍略逊一筹。
基本特性对比
| 特性 | FLASH | EEPROM |
|---|---|---|
| 存储单元结构 | NAND（共享位线，高密度）/ NOR（独立位线，高速） | 双晶体管结构（控制栅 + 存储栅，支持字节操作） |
| 擦除单位 | Block（块擦除） | Byte（字节级擦除） |
| 写入速度 | 0.2-10ms/page | 1-10ms/byte |
| 擦除时间 | 1-300ms/block (NOR Flash) | 字节擦除与写入同时完成（无需单独擦除步骤） |
| 擦写次数 | 10K-100K次 | 100K-1M次 |
| 存储密度 | 高（适合大容量存储） | 低（适合小数据存储） |
| 功耗 | 较高（需要高压擦除） | 较低 |
| 典型应用场景 | 操作系统存储、文件系统、代码 / 数据批量存储 | 配置参数存储、少量数据频繁读写 |
2. FLASH模拟EEPROM的原理
2.1 划分区域
- 单片机的 FLASH 通常由多个页或扇区组成，在写入数据前，必须按页或扇区进行擦除操作；
- 可将 FLASH 按页或扇区划分为多个区域，其中一个区域用于存储程序代码，其他区域则可用于数据存储，从而实现模拟 EEPROM 的功能;
2.2 擦除和写数据
- 在首次使用或存储空间不足时，对模拟 EEPROM 的 FLASH 区域进行整体擦除，并记录 FLASH 剩余空间大小，其初始值等于分配给模拟 EEPROM 的总空间大小；
- 通过偏移写地址写入新的数据，每次写入后，FLASH 剩余空间大小相应减去写入数据的长度；
- 当 FLASH 空间即将写满或剩余空间不足时，重复执行步骤 1 和步骤 2，即先擦除整个区域，再重新写入数据；
2.3 磨损均衡技术
- 为了延长 FLASH 的使用寿命，通常会采用磨损均衡技术，将擦写操作均匀分布到各个块或扇区，避免某些区域过早损坏。
- 常见的磨损均衡算法有简单的顺序循环、基于计数的动态分配以及更复杂的基于使用频率的智能分配等。
2.4 数据结构设计
- 为了实现高效的数据管理，通常会设计特定的数据结构，如使用索引表记录每个数据项的存储位置和状态。
- 在写入新数据时，可以采用追加写入的方式，而不是直接覆盖原有数据，从而提高写入效率并减少擦除次数。
2.5 FLASH读写操作示意图
3. FLASH模拟EEPROM的优点
- 降低设计成本：EEPROM通常提供较小的存储容量，但单位容量的成本可能较高。Flash存储器通常提供更大的存储容量，且单位容量的成本较低;
- 提升写数据速度:FLASH模拟EEPROM，写数据前是先整体擦除区域，再对同一个扇区或页分段写入数据，写入过程中不再涉及擦除FLASH操作，提升了写数据的速度；
- 提高写数据次数:FLASH擦写数据是有次数限制的，单个扇区或页通过偏移地址可多次写数据后再擦除 FLASH，极大减少了FLASH擦除次数，提高了可写数据的次数；
- 提高集成度：使用单片机的内置Flash减少了外部组件的数量，简化了电路设计和布局；
核心优势对比
| 优势维度 | 传统EEPROM | FLASH模拟方案 |
|---|---|---|
| 硬件成本 | 需要独立芯片 | 复用现有FLASH |
| 存储容量 | 通常<512KB | 可扩展至MB级别 |
| 系统集成度 | 需要额外接口电路 | 片上集成 |
| 可移植性 | 依赖特定硬件 | 纯软件实现 |
| 功耗表现 | 静态功耗较高 | 静态功耗趋近于零 |
4. 实战项目工程代码
可使用的flash 软件模拟EEPROM lib功能库 ：https://download.csdn.net/download/weixin_43176196/90797265
flash 软件模拟EEPROM 项目工程程序 ：https://download.csdn.net/download/weixin_43176196/90789413
需将功能模块 eepromSoft 添加到工程下，并实现 flash读写操作.具体应用如下
4.1 通用接口定义
eepromSoft.h
// eeprom 可分配使用的个数, 最大不超过 5
#define EPROM_SOFT_NUM (5 )
// 分配页缓冲区大小, 该数值必须为使用 pageSize 最大的一个 EEPROM_SOFT_INDEX 的 pageSize
#define EPROM_BUF_DATA_SIZE (128 * 2)
typedef int32_t EEPROM_SOFT_INDEX; // 索引类型
// eeprom 错误码
typedef enum{
EPROM_ERR_NORMAL = 0, // 正常
EPROM_ERR_UNDEFINE, // 未知错误，可能为传入的参数无效
EPROM_ERR_MEMBUF, // 数据缓冲区设置出错
EPROM_ERR_READ, // 读失败
EPROM_ERR_WRITE, // 写错误
EPROM_ERR_ERASE, // 擦除扇区错误
EPROM_ERR_OVER_DATA, // 数据过大，会超出页大小
EPROM_ERR_PAGE_SIZE, // 分配的页大小不正确
EPROM_ERR_ADDR, // 分配的 falsh 的 adrrStart 或 adrrEnd 不正确
EPROM_ERR_FUNC, // 设置的函数指针无效
EPROM_ERR_SOFT_NUM, // 分配的个数不足，需设大 EPROM_SOFT_NUM
EPROM_ERR_NUM_SET, // EPROM_SOFT_NUM 设置不符合要求
EPROM_ERR_LOCK, // 加锁失败
EPROM_ERR_INDEX, // 未知索引号
EPROM_ERR_NUM
}EPROM_ERR;
/* eeprom 基准信息数据结构 */
typedef struct{
uint32_t adrrStart; // 分配的 flash 扇区起始地址(此地址必须为4的倍数，且不能为0)
uint32_t adrrEnd; // 分配的 flash 扇区结束地址(此地址必须为4的倍数)
// 设置的页大小(该数值必须是 128 的倍数)，进行 falsh 的页分配，单位：Byte
// 页大小并不代码实际存放数据的最大长度，每页里面会保存基准信息
uint32_t pageSize;
/* flash 读函数指针,
// flashAddr,要读取数据的flash地址;
// buf, 读取数据缓冲的指针
// readLen, 要读取数据的长度(单位:字节)
// 返回, 实际读取到的数据长度
*/
uint32_t (*fRead)(uint32_t flashAddr, uint8_t *buf, uint32_t readLen);
/* flash 写函数指针(不带擦除扇区写入数据),
// flashAddr,开始写入数据的flash地址;
// data, 要写入的数据指针
// len, 要写入的数据长度(单位:字节)
// 返回, 0, 写入成功
// 1, 写入失败
*/
uint8_t (*fWrite)(uint32_t flashAddr,const uint8_t *data, uint32_t len);
/* flash 擦除函数指针,
// flashAddr,要擦除flash数据的起始地址;
// len, 要擦除数据的数据长度(单位:字节)
// 返回, 0, 成功
// 1, 失败
*/
uint8_t (*fErase)(uint32_t flashAddr, uint32_t len);
}EPROM_SOFT_INFO;
// 声明外部其他文件定义的 crc32校验函数； 若只模拟一个eeprom 可进行简单求和校验 .
extern uint32_t AlgorithCrc32(const uint8_t* data, uint32_t len);
/*!
*
* @param[in] timeOutMs ：毫秒超时时间
* @param[out] none
* @return 1 ：加锁成功
* @return 0 ：加锁失败
*
* @brief 声明外部其他文件定义的 加锁保护机制.
* @note . 主要用于 EPROM_BUF_DATA_SIZE 分配的数据缓冲区资源保护;
*
*/
extern uint8_t EepromSoftLock(uint32_t timeOutMs);
extern void EepromSoftUnLock(void); // 释放锁
/*!
*
* @param[in] num ： eeprom 可模拟的个数，取值 1 - 10;
* @param[in] pageBuf : 要分配的页缓冲区指针;
* @param[in] pageSize : 页缓冲区的大小(必须为 128的倍数，单位：字节);
* @param[out] none
* @return EPROM_ERR 错误码
*
* @brief 模拟eeprom 公共资源分配设置
* @note . 必须在 EepromSoftInit() 函数使用前，调用该函数执行一次;
*
*/
EPROM_ERR EepromSoftSet(uint8_t num, uint8_t* pageBuf, uint32_t pageSize);
/*!
*
* @param[in] info : 要配置的基准信息结构指针
* @param[out] errCode ：EPROM_ERR 返回指针，存放返回的错误码
* @return >=0的数值 ： eeprom 索引号
* @return 其他值: 出错
*
* @brief 初始化基准信息，若成功，就返回对应 eeprom 的索引号.
* @note . 该操作会检测分配的地址是否正确，并获取上次写入有效数据的基准信息;
* . 若未获取到有效基准信息，就擦除扇区，从起始地址开始读/写数据;
*
*/
EEPROM_SOFT_INDEX EepromSoftInit(EPROM_SOFT_INFO* info, EPROM_ERR* errCode);
/*!
*
* @param[in] index ：eeprom索引号
* @param[in] buf ：数据缓冲区，存放读取到的数据
* @param[in] readLen ：要读取的数据长度
* @param[out] errCode ：EPROM_ERR 返回指针，存放返回的错误码
* @return 实际读取到的数据长度
*
* @brief 读数据
* @note . 从上次成功写入数据的地址读取数据;
*
*/
uint32_t EepromSoftRead(EEPROM_SOFT_INDEX index, uint8_t *buf, uint32_t readLen, EPROM_ERR* errCode);
/*!
*
* @param[in] index ：eeprom索引号
* @param[in] data： 要写入的数据指针
* @param[in] len：要写入的数据长度
* @param[out] none
* @return PROM_ERR 错误码
*
* @brief 写入数据
* @note . 写数据之前会将上次成功写入的地址进行偏移，若数据成功写入数据，就记录该地址;
*
*/
EPROM_ERR EepromSoftWrite(EEPROM_SOFT_INDEX index, uint8_t *data, uint32_t len);
使用方法：
-
- 在其他文件，实现函数 AlgorithCrc32()、 EepromSoftLock() 、 EepromSoftUnLock() ；
-
- EepromSoftSet() 分配模拟 eeprom的个数，页缓冲区(多个eeprom的公共缓冲区)；
该函数必须在 EepromSoftInit() 使用之前调用一次；
- EepromSoftSet() 分配模拟 eeprom的个数，页缓冲区(多个eeprom的公共缓冲区)；
-
- EepromSoftInit() 初始化 eeprom 的基准信息，初始化成功会返回 EEPROM_SOFT_INDEX 索引号 ;
-
- EepromSoftRead()、 EepromSoftWrite() 进行数据读、写操作;
4.2 接口应用
/* USER CODE BEGIN 4 */
// 定义 crc32校验
uint32_t AlgorithCrc32(const uint8_t* data, uint32_t len)
{
uint32_t val = 0;
for(int i = 0; i < len; i++){
val += data[i];
}
return val;
}
// 定义保护锁机制
uint8_t s_LockStatus = 0;
uint8_t EepromSoftLock(uint32_t timeOutMs)
{
s_LockStatus = 1;
return s_LockStatus;
}
// 释放锁
void EepromSoftUnLock(void)
{
s_LockStatus = 0;
}
// 定义模拟 eeprom 缓冲区
static uint8_t s_EepromBuf[EPROM_BUF_DATA_SIZE];
EEPROM_SOFT_INDEX s_EepronIndex1 = -1, s_EepronIndex2 = -1; // 定义索引变量
void TestFlashHandle(void)
{
unsigned char buf[20 + 8] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55};
EPROM_ERR errCode = 0;
uint32_t len = 0;
EPROM_SOFT_INFO eepromInfo;
// 设置 eeprom 公共资源分配
errCode = EepromSoftSet(EPROM_SOFT_NUM, s_EepromBuf, EPROM_BUF_DATA_SIZE);
// 模拟 第一个 eeprom
eepromInfo.adrrStart = FLASH_ADDR_SECTOR_9; // 设置模拟eeprom 的扇区起始地址
eepromInfo.adrrEnd = FLASH_ADDR_SECTOR_10; // 设置模拟eeprom 的扇区结束地址
eepromInfo.pageSize = 128; // 每次写数据操作的flash大小(最小128)
eepromInfo.fErase = FlashHardErase;
eepromInfo.fRead = FlashHardRead;
eepromInfo.fWrite = FlashWriteNoErase;
s_EepronIndex1 = EepromSoftInit(&eepromInfo, &errCode); // 初始化基准信息
if(s_EepronIndex1 < 0) {
return ;
}
// 写数据
buf[16] = 0xAA;
buf[17] = 0xBB;
buf[18] = 0xCC;
buf[19] = 0xDD;
errCode = EepromSoftWrite(s_EepronIndex1, buf, 20);
// 读数据
memset(buf, 0, 20);
len = EepromSoftRead(s_EepronIndex1, buf, 20, &errCode);
// 模拟 第二个 eeprom
eepromInfo.adrrStart = FLASH_ADDR_SECTOR_10; // 设置模拟eeprom 的扇区起始地址
eepromInfo.adrrEnd = FLASH_ADDR_SECTOR_11; // 设置模拟eeprom 的扇区结束地址
eepromInfo.pageSize = EPROM_BUF_DATA_SIZE; // 每次写数据操作的flash大小(最小128)
eepromInfo.fErase = FlashHardErase;
eepromInfo.fRead = FlashHardRead;
eepromInfo.fWrite = FlashWriteNoErase;
s_EepronIndex2 = EepromSoftInit(&eepromInfo, &errCode); // 初始化基准信息
if(s_EepronIndex2 < 0) {
return ;
}
// 写数据
buf[16] = 0xA1;
buf[17] = 0xB1;
buf[18] = 0xC1;
buf[19] = 0xD1;
errCode = EepromSoftWrite(s_EepronIndex2, buf, 20);
// 读数据
memset(buf, 0, 20);
len = EepromSoftRead(s_EepronIndex2, buf, 20, &errCode);
// 再读取 s_EepronIndex1 ，观察是否有变化
memset(buf, 0, 20);
len = EepromSoftRead(s_EepronIndex1, buf, 20, &errCode);
}