如何实现MCU APM32F4 Flash模拟EEPROM？

1. Flash与EEPROM简介

1.1 Flash简介

Flash，又叫闪存。根据存储单元电路的不同，分为NAND Flash和NOR Flash两种。Nor Flash由于地址线和数据线是分开的，可以按字节读写数据。这种特性可以用来存储和运行代码，MCU内部的Flash就是一种NOR Flash。

但是无论是哪种Flash，他们写之前必须先进行擦除操作（因为只能将数据由1写为0）。

1.2 EEPROM简介

EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，即电可擦除可编程只读存储器，也是一种非易失性存储区。EEPROM也是可以按字节读写数据的，但是写入之前不需要先擦除数据。

1.3 Flash与EEPROM对比

Flash 与 EEPROM都属于非易失性存储器，他们都可以掉电保存数据。但他们也有很多的区别，下表列出了Flash与EEPROM的主要区别：

其实，在Linux的设备驱动归类中，Flash其实是归类到块设备的，因为它的最小操作单元是扇区/块，而EEPROM则是一种字符设备，最小操作单元是字节。

1.4 Flash模拟EEPROM的优势

节约成本，可减少EEPROM芯片的使用

读写速率快，MCU内部的Flash读写速率要远远高于EEPROM

抗干扰能力强，MCU内部的Flash没有使用I2C、SPI这类通讯总线，不存在这类总线被干扰的问题。

2. Flash模拟EEPROM原理

在前面的对比，我们可以了解到，Flash与EEPROM最大的区别就是：

Flash写之前需要擦除

Flash与EEPROM一次操作的数据大小不同。虽然MCU内部的Flash和EEPROM一样，可以实现按字节的读写，但是在写入的时候，是必须要先按扇区擦除的，这里也可以说相当于是一次操作的数据大小不同。

那么，我们Flash模拟EEPROM主要是模拟实现什么呢？主要实现的关键点有：

无需用户擦除即可按字节读写（擦除操作封装在函数内部）

擦除数据时不能改变原来已经存储的数据（读改写策略）

尽量减少Flash擦除次数，延长Flash寿命（擦除之前先判断是否已经是擦除状态）

具体如何实现？

读操作

MCU内部的Flash读操作很简单，直接像内存一样读即可。例如读0x08000000地址处的数据：

*(uint32_t *)0x08000000;

把0x08000000强制转换为一个地址（指针），然后再解引用即可。

写操作

由于Flash写之前，都必须先要按照扇区进行擦除，所以会麻烦一点。而且，擦除数据的时候，我们不能把原有的数据都给擦了，所以可以使用读改写的策略。

写数据之前，先在RAM中开辟一个与扇区相同大小的缓冲区。然后把要写的扇区数据读到缓存中，然后在缓存中改写数据。最后再擦除扇区（会进行判断，如果已经是擦除状态，则无需再次擦除），再把数据写到扇区。

3. APM32F4系列Flash模拟EEPROM难点

3.1 APM32F4 Flash存储器结构

我们先了解下APM32F4的Flash存储结构：

我们主要看主存储模块，一共分为12个扇区，最小的是前面4个扇区16KB，最大的扇区大小是128KB。

前面我们说过，Flash模拟EEPROM的一个关键点就是，在写数据的时候，不能改变Flash原有的数据。而且，解决办法就是在RAM中开辟一块和Flash扇区同样大小的缓冲区。

3.2 难点和解决办法

难点：

但问题是：APM32F4系列的RAM大小，给用户使用的最大大小是128KB，和最大的Flash扇区大小是一样大。我们不可能使用APM32F4后面的Flash扇区，作为模拟EEPROM实现的空间，因为根本没有那么大的RAM空间作为缓存。

但也不能使用第一块16KB的扇区大小进行模拟，因为第一个扇区是MCU上电启动会自动取指令的扇区，如果这个区域存储的不是合法的指令，那么会造成程序跑飞。

总结起来就是：

Flash扇区太大，导致RAM不足以开辟同样大小的缓冲区

不能使用第一个扇区，因为那个扇区是MCU启动固定使用的

如何解决：

提供上面分析，能留给我们进行Flash模拟EEPROM所使用的扇区就只有 1~3 这3个扇区符合要求。那么我们如何使用Flash中间的扇区进行实验呢？

我们可以定义一个const数组，然后使用编译器属性指定该数组在Flash的起始地址（比如我们指定起始地址就位于第1块扇区的首地址），大小是用户定义的Flash模拟EEPROM的大小。但是必须要必须要是扇区大小的整数倍。

代码如下：

/* 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];

这个const的数组，其实在代码中并没有任何作用，它的目的就是占据这块Flash空间，而不让编译器链接时，把代码链接到这块区域，因为这块区域是要用于用户存储数据的，在这个过程中可能会被擦除。

3.3 APM32F4 Flash的存储区域规划

进过前面的分析和规划，最终APM32F4 Flash的存储区域划分，如下图：

第1~3这3个扇区可以划分，作为Flash模拟EEPROM的区域，其他的扇区都是用于存放代码的区域。

4. APM32F4系列Flash模拟EEPROM代码介绍

可以先到Geehy官网，下载F4系列的SDK，然后随便复制其中一个例程，在该例程编写Flash模拟EEPROM的代码实现。

4.1 相关宏定义

/* 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：定义的Flash的扇区大小。不同系列的MCU，扇区大小不一样。

FLASH_EE_TOTAL_SIZE：Flash模拟EEPROM的Flash总大小，该大小必须是扇区大小的整数倍。在F4上最多也只有3*16KB总大小。

FLASH_EE_START_ADDR：Flash模拟EEPROM的Flash起始地址，起始地址是必须要扇区对齐的。即只能是扇区的起始地址。

4.2 读写接口函数

我们在使用过程中，只需要使用读数据、写数据接口函数即可。

/*

* readAddr: 读数据起始地址

* pData:   指针，指向保存读出的数据的缓冲区

* len:     读取数据的长度

*/

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

/*

* readAddr: 写数据起始地址

* pData:   指针，指向需要写入数据的缓冲区

* len:     写入数据的长度

*/

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

5. 另一种Flash模拟EEPROM方案介绍

前面介绍的，是Flash模拟EEPROM的其中一种方案。特点是直接对Flash进行操作，但也是实现了对Flash按字节的读写操作，而且不会改变Flash原有的存储数据，而且还可以跨扇区进行读写数据。

另外，还有另一种Flash模拟EEPROM的实现方案。

5.1 数据存储格式

该方案需要使用至少两块相同的扇区/页，使用至少两个相同大小的扇区/页，其中一个扇区处于有效状态，而另一个扇区处于擦除状态。然后每4个字节分为：2字节data + 2字节virtual address 的存储格式。具体数据存储格式如下：

其中：

每个页的第一个存储区，保存当前的页状态。

flash address：就是MCU flash的实际地址，在代码中并没有使用到，只用到页起始和结束地址。

data：用户存储的数据。

virtual address：对应数据的虚拟地址，在读数据时，我们需要根据这个虚拟地址进行寻址。

存储变量的个数：扇区大小 / 4 - 1。比如 2KB / 4 – 1 = 511，即最多可以存储511个变量。

5.2 扇区/页状态

每个扇区/页都有三种状态：

有效状态：该页包含所有的有效数据，读写数据在该页进行

擦除状态：就是一个空的页

数据传输状态：当一个页写满时，把已经写满的页的有效数据复制到本页的状态

5.3 数据更新过程

该方案有数据读、写、转移三种过程：

写数据：从页起始地址开始寻址，找到第一个已经被擦除的区域（比如前面的数据存储格式的图片，flash address = 24的位置），然后把数据和对应的虚拟地址一起写入。当第二次改写同一虚拟地址处的值时，会在Flash新的位置，存储该虚拟地址的值。比如比如前面图片的flash address = 20的地址处，存储的虚拟地址是0x7777，是第二次出现的虚拟地址，修改数据就是会这样在新的位置存储新的值。其中最后一次存储的数据，才是有效数据。

读数据：从页结束地址开始寻址，找到对应地址最后一次改变的数据（其实就是有效数据）。比如前面的数据存储格式的图片，有两个0x7777地址对应的数据，只会返回最后一次改变的数据。

数据转移：当页0写满时，会把该页的有效数据全部复制到另外一个空页（页1）。然后再擦除页0，把页1标记为有效状态，再页1继续写数据。