操作中的掉电保护机制

只看该作者 · 2024-9-30 18:20

在嵌入式系统中使用 STM32 的 Flash 存储时，如果在写入操作过程中发生掉电，可能会导致数据丢失或损坏。这在存储关键配置数据或日志信息时是不可接受的。为了解决这一问题，我们可以引入掉电保护机制，确保在掉电或系统重启时不会发生数据损坏。

下面讨论几种常见的掉电保护技术及其在 STM32 Flash 写入过程中的实现方法。

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问题分析
STM32 的 Flash 写操作分为两个主要步骤：

页擦除：Flash 写入必须在页被擦除的情况下进行，一旦擦除操作开始，页内的数据全部清除。如果在此过程中掉电，整个页的数据会丢失。
数据写入：擦除完成后，才可以执行写操作，写入过程会依次将数据写入 Flash 中。如果写入过程中掉电，可能会导致部分字写入成功，而部分字未写入，这会导致数据不完整或损坏。
因此，掉电保护机制主要是防止在这两个过程中发生掉电时导致数据损坏。

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掉电保护的设计原则
为了在 Flash 写入过程中实现掉电保护，常见的设计策略包括：

双缓冲区机制：使用两个 Flash 页交替存储数据，当其中一个写入失败时，系统仍然可以从另一个页读取完整的数据。
数据校验与回滚：使用校验和机制验证数据完整性，如果写入失败或不完整，回滚到上一个有效的写入状态。
掉电检测和大容量电容：通过硬件电路（如检测掉电信号）并使用大容量电容，在系统掉电后仍能维持足够时间完成写操作。
日志型写入（Wear Leveling）：将数据写入新的位置，保证原始数据不会被覆盖，直到新数据完全写入成功。

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双缓冲区机制
双缓冲区机制是最常用的掉电保护方法之一，尤其适用于需要频繁更新的数据存储场景。它的原理是使用两个 Flash 页作为备份，在写入新数据之前保留旧数据，如果写入失败，可以回滚到旧数据。

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

实现步骤：
定义两个缓冲区页：设定两个 Flash 页（如 PageA 和 PageB）用于交替存储数据。
读取操作：系统启动时，从 PageA 和 PageB 中读取最近一次成功写入的数据。通常可以通过标志位或校验和来判断哪个页面包含有效数据。
写入操作：
写入数据到空闲页。
写入完成后，通过校验和验证写入是否成功。
成功后标记该页为有效。
失败回滚：如果写入失败或校验不通过，则保持原有页的有效性，回滚到旧数据。

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示例代码：
c

#define PAGE_A_ADDRESS 0x08020000  // 假设 PageA 的 Flash 地址
#define PAGE_B_ADDRESS 0x08020400  // 假设 PageB 的 Flash 地址

// 检查某一页是否包含有效数据（例如通过校验和）
bool Check_Page_Valid(uint32_t PageAddress)
{
// 读取页面数据，校验数据的完整性和标志位（具体实现视应用而定）
return Is_Checksum_Valid(PageAddress);
}

// 读取数据
uint32_t Flash_Read_Protected(uint32_t* data)
{
if (Check_Page_Valid(PAGE_A_ADDRESS))
{
      *data = Flash_Read(PAGE_A_ADDRESS);
      return PAGE_A_ADDRESS;
}
else if (Check_Page_Valid(PAGE_B_ADDRESS))
{
      *data = Flash_Read(PAGE_B_ADDRESS);
      return PAGE_B_ADDRESS;
}
else
{
      // 错误处理，可能两页都无效
      return 0;
}
}

// 写入数据，使用双缓冲区
void Flash_Write_Protected(uint32_t new_data)
{
uint32_t valid_page = Flash_Read_Protected(&new_data);

// 如果 PageA 有效，则写入 PageB，反之亦然
uint32_t write_page = (valid_page == PAGE_A_ADDRESS) ? PAGE_B_ADDRESS : PAGE_A_ADDRESS;

Flash_Erase(write_page); // 擦除空闲页
Flash_Write(write_page, new_data);  // 写入新数据

// 写入完成后，验证数据是否正确
if (Check_Page_Valid(write_page))
{
      // 写入成功
}
else
{
      // 写入失败，回滚到旧页
}
}

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

数据校验与回滚机制
数据校验与回滚机制可以确保写入操作的原子性。如果在写入过程中数据损坏，可以根据校验结果判断写入是否成功，并在失败时回滚到之前的有效数据。通常的做法是为写入的数据添加一个校验和或 CRC，写入完成后立即进行校验。

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

校验和示例：
cuint32_t Calculate_Checksum(uint32_t data)
{
// 简单的校验和计算方法
return data ^ 0xFFFFFFFF;
}

void Flash_Write_With_Checksum(uint32_t Address, uint32_t Data)
{
uint32_t checksum = Calculate_Checksum(Data);

HAL_FLASH_Unlock();

// 写入数据
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, Address, Data);

// 写入校验和
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, Address + 4, checksum);

HAL_FLASH_Lock();
}

bool Flash_Read_With_Checksum(uint32_t Address, uint32_t* Data)
{
*Data = Flash_Read(Address);
uint32_t stored_checksum = Flash_Read(Address + 4);

// 校验
if (stored_checksum == Calculate_Checksum(*Data))
{
return true; // 数据正确
}
else
{
return false; // 校验失败
}
}

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在这种机制下，如果校验和不匹配，意味着写入过程中发生了错误，系统可以决定重新擦除并写入数据，或回滚到上一次的有效状态。

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

硬件掉电检测与延时电源
如果系统允许添加硬件设计，掉电检测电路可以作为一种有效的保护措施。当电源即将掉电时，MCU 通过硬件信号提前检测到，并利用电容等延迟电源断开的技术维持足够的时间完成当前的 Flash 写入操作。

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

硬件设计示例：
电压检测器：使用电压检测芯片（如 STM32 的内置 PVD 预警电压检测器）监控电源电压，当电压降到某个阈值时触发中断，MCU 可以提前保存重要数据。
大电容：在电源线上接入足够容量的电容，提供短暂的掉电延迟时间，使 MCU 在掉电后仍有足够时间完成 Flash 写入。

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STM32 内部的 PVD（Programmable Voltage Detector）可以检测电压变化，并在电压低于设定的阈值时产生中断。通过配置 PVD 中断，系统可以及时响应掉电信号。

只看该作者 · 2024-9-30 18:21

PVD 中断配置示例：
cvoid PVD_Config(void)
{
PWR_PVDTypeDef sConfigPVD;

// 配置 PVD 阈值
sConfigPVD.PVDLevel = PWR_PVDLEVEL_5; // 例如 2.9V
sConfigPVD.Mode = PWR_PVD_MODE_IT_RISING; // 上升沿触发中断

HAL_PWR_ConfigPVD(&sConfigPVD);
HAL_PWR_EnablePVD();

// 启用 PVD 中断
HAL_NVIC_SetPriority(PVD_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(PVD_IRQn);
}

void PVD_IRQHandler(void)
{
// 检测到电压过低，保存关键数据
HAL_PWR_PVD_IRQHandler();
}

只看该作者 · 2024-9-30 18:22

在掉电检测到时，及时保存当前操作状态到 RAM 或立即执行 Flash 写入。

只看该作者 · 2024-9-30 18:22

日志型写入与分散存储
日志型写入（Log-based Write）或称分散存储（Wear Leveling）是通过避免在同一位置重复写入，减少擦除操作次数并提高 Flash 的耐久性。这种方式通常与掉电保护结合使用，在掉电时即使某一部分数据写入失败，依然能够读取到上一次完整的写入数据。

具体实现上，通常采用循环队列或在 Flash 的不同区域依次写入数据，每次写入成功后更新指针指向最新的区域。