【软件设计】通过软件设计提高 Flash 的擦写次数

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作者：积跬步、至千里

场景分析：
在嵌入式开发中，EEPROM 因其非易失性存储特性，常用于保存配置参数等数据。EEPROM 的擦写次数一般在10万次左右。

单片机一般通过 IIC 接口外加一个 EEROM 存储芯片

但是，有些小项目为了节省成本或者以前维护的一些项目，只能把 flash 划分出一段空间，当数据存储空间来用。

这样的缺点是

升级固件时如果固件变大了，一旦覆盖了原来划分的数据存储区域，那数据就没了。
Flash 的擦写次数一般都是在 1万次 左右，这个次数可是远小于 EEROM

1万次，在很多场景下并不够。
因此本文参考
老板说：单片机，Flash模拟EEPROM，16字节，算法轮询存储给我做到100万次的存储次数，
的思路，通过软件设计，提高flash的擦写次数。

1. Flash 和 EEROM 基本情况

独立的EEPROM芯片是可以直接写字节的，即使覆盖写也无须擦除，
单片机的FLASH 写入数据之前，必须按页来擦除，先擦除再写入

2. 场景要求

程序一共有15个字节的内容需要断电保存，每改变其中一个字节就需要保存一次，做到100万次的一个存储次数。

单片机的 Flash 一共是 128KB ，从0x08000000----0x0801FFFF，一共64页，每页2KB。

3. 软件设计思路

以每个 page 2KB 的大小为一个节点，假设数据要存储到【最后一个page】，设计思路如下：

从第一个 page 开始写入，第一次写前16字节，然后更新写入地址索引到第16个字节
第二次从 17-31 字节写入，然后更新写入地址索引到第32个字节，依次循环

这样来算，每个 page 可以存储 2048/16 = 128 次，写满一页擦除一次，理论上存储次数能达到128 × 1万次/页 = 128万次。

4. 代码展示

4.1 flash.h

#ifndef FLASH__H
#define FLASH__H#include "stm32g0xx_hal.h"
#include <string.h>// FLASH配置
#define FLASH_BASE_ADDR 0x0801F800 // FLASH最后一页起始地址 (128KB - 2KB)
#define PAGE_SIZE 2048             // STM32G071页面大小为2KB
#define STATE_SIZE 16             // 结构体大小（填充到24字节）typedef struct {unsigned int  color;                  // 颜色unsigned int  seconds;                // 秒数unsigned char mode;                   // 模式unsigned char number;                 // 序号unsigned char padinng[5];             // 预留5unsigned char checksum;               // 1字节，校验和
}dataState;extern dataState old_state;
extern dataState current_state;
void printState(dataState *state);
HAL_StatusTypeDef flash_program(unsigned int addr, unsigned char* data, unsigned int len);
void read_flash(unsigned int addr, unsigned char* data, unsigned int len);
void init_flash_addr(void);
void save_state(dataState* state);
void get_state(dataState* state);
void update_state(dataState* state);#endif

4.2 flash.c

// 初始化：查找最新有效数据
void init_flash_addr(void) {dataState temp_state;uint32_t addr = FLASH_BASE_ADDR;uint32_t last_valid_addr = FLASH_BASE_ADDR;int found_valid_data = 0;while (addr < FLASH_BASE_ADDR + PAGE_SIZE) {read_flash(addr, (uint8_t*)&temp_state, STATE_SIZE);// 检查是否全0xFFuint8_t all_ff[STATE_SIZE];memset(all_ff, 0xFF, STATE_SIZE);int is_all_ff = (memcmp(&temp_state, all_ff, STATE_SIZE) == 0);if (!is_all_ff && temp_state.checksum == calculate_checksum(&temp_state)) {last_valid_addr = addr;found_valid_data = 1;memcpy(&current_state, &temp_state, STATE_SIZE);        } else {     break;}addr += STATE_SIZE;}flash_addr = last_valid_addr + (found_valid_data ? STATE_SIZE : 0);if(found_valid_data)printf("init first,found valid data,last_valid_addr:%X\r\n",last_valid_addr);elseprintf("init first,it is all ff,it is the first data\r\n");if (flash_addr > FLASH_BASE_ADDR + PAGE_SIZE)     {printf("init erase page 2KB\r\n");erase_page(FLASH_BASE_ADDR);flash_addr = FLASH_BASE_ADDR;}if (!found_valid_data) {printf("not found valid data\r\n");current_state.color = 100;current_state.seconds = 200;current_state.mode = 1;current_state.number = 1;current_state.checksum = calculate_checksum(&current_state);__disable_irq(); flash_program(FLASH_BASE_ADDR, (uint8_t*)&current_state, STATE_SIZE);__enable_irq(); flash_addr = FLASH_BASE_ADDR + STATE_SIZE;       }printState(&current_state);
}

第一步，先从第一个地址读取第一个16字节，然后判断是不是全部等于0xFF，如果第一次是就证明是第一次，下一步flash_addr就不需要增加STATE_SIZE，写入地址索引就是FLASH_BASE_ADDR。
第二步，如果不全是0xFF并且校验字节通过，证明这是一组有效数据，我们先将此数据更新到current_state，但是这里还不能证明是最后一组有效数据，因为最后一组有效数据才是我们要找到的数据。
继续检查下一组数据，直到检查到一组数据是全0xFF，证明上一组数据就是最后一组有效数据，就跳出，此时我们也就找到了最后一组有效数据的起始地址。
此地址增加STATE_SIZE就是最新可以存储数据的地址索引了。
如果没找到有效数据，证明是第一次，就写入默认数值并保存，更新索引。

保存数据save_state函数：

oid save_state(dataState* state) {dataState last_state;if (flash_addr > FLASH_BASE_ADDR) {read_flash(flash_addr - STATE_SIZE, (uint8_t*)&last_state, STATE_SIZE);if (memcmp(&last_state, state, STATE_SIZE) == 0) {printf("数据没有变化，直接返回");return; }}__disable_irq(); if (flash_addr + STATE_SIZE > FLASH_BASE_ADDR + PAGE_SIZE) {printf("erase page 2KB\r\n");erase_page(FLASH_BASE_ADDR);flash_addr = FLASH_BASE_ADDR;   }state->checksum = calculate_checksum(state);flash_program(flash_addr, (uint8_t*)state, STATE_SIZE);flash_addr += STATE_SIZE; __enable_irq(); 
}