单片机-FLASH软件模拟EEPROM，提升flash保存重要参数的使用寿命

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

在这里插入图片描述

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_NUMEPROM_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：

1. 在其他文件，实现函数 AlgorithCrc32()、 EepromSoftLock() 、 EepromSoftUnLock() ；
1. 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；
1. EepromSoftInit() 初始化 eeprom 的基准信息，初始化成功会返回 EEPROM_SOFT_INDEX 索引号 ;
1. 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 eepromeepromInfo.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 eepromeepromInfo.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);}