发新帖本帖赏金 50.00元(功能说明)我要提问
返回列表
[APM32F407]

APM32F4 Flash模拟EEPROM介绍和代码实现

[复制链接]
608|4
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
luobeihai|  楼主 | 2022-12-18 17:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 luobeihai 于 2023-1-2 23:53 编辑

#申请原创#   @21小跑堂

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:
Snipaste_2022-12-18_16-57-59.png
注:这里对比的Flash是MCU内部的Flash
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:
image-20221215155428784.png
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:
Snipaste_2023-01-02_23-48-58.png
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:
image-20221218162355272.png
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。

6. 后续补充
目前,我只实现了Flash模拟EEPROM第一种方法的代码。这里留个坑,我后续会实现APM32F4系列的第二种Flash模拟EEPROM的代码。
如果还有时间的话,把APM32F1系列的MCU,也一起实现了Flash模拟EEPROM的代码吧。
反正暂且先留个坑吧。

使用特权

评论回复

打赏榜单

21小跑堂 打赏了 50.00 元 2022-12-20
理由:恭喜通过原创审核!期待您更多的原创作品~

评论
21小跑堂 2022-12-20 18:05 回复TA
详细介绍了FLASH和EEPROM的异同点,逐步分析FLASH的数据读写过程,关键技术点阐述较为详细,但是缺少相关试验过程结果的展示,仅论述了库中的接口函数,导致文章结构完整性略微缺失,下次需要注意哦。 
kai迪皮| | 2022-12-20 19:41 | 显示全部楼层
好文,点赞o( ̄▽ ̄)d

使用特权

评论回复
xu@xupt| | 2022-12-23 14:49 | 显示全部楼层
好文,感谢分享

使用特权

评论回复
单片小菜| | 2022-12-27 10:14 | 显示全部楼层
这个文章确实不错,可以进行移植到其它的平台展现。

使用特权

评论回复
发新帖 本帖赏金 50.00元(功能说明)我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则