FLASH、EEPROM和FLASH模拟EEPROM

FLASH和EEPROM

FLASH存储器和EEPROM（电可擦可编程只读存储器）都属于非易失性存储器，但它们在工作原理、使用方式、应用场景等方面有一些区别。

FLASH存储器

FLASH（闪存）是一种非易失性存储器，能够在没有电源的情况下保存数据。它的工作原理类似于EEPROM，但在数据擦除和写入的方式上有所不同。

特点：

1. 大容量：FLASH存储器一般提供比EEPROM更大的存储容量，通常从几兆字节（MB）到几百兆字节（甚至几个GB）。
2. 块擦除：FLASH存储器以块（通常为几KB到几MB）为单位进行擦除，擦除操作需要清空整个块，而不能像EEPROM那样按字节擦除。这使得FLASH的擦写次数比EEPROM更低，一般在10,000到100,000次之间。
3. 写入速度较快：相比EEPROM，FLASH的写入速度更快，适用于需要快速写入的应用场景。
4. 应用广泛：FLASH主要用于存储大容量数据，广泛应用于固态硬盘（SSD）、U盘、存储卡、智能手机、嵌入式设备等。
5. 编程和擦除：FLASH可以通过电气方式编程和擦除，但擦除和编程过程比EEPROM要复杂得多，且无法像EEPROM那样轻松按字节更新数据。

类型：

• NAND Flash：主要用于大容量存储，速度快，成本低，广泛用于移动存储设备（如U盘、SD卡、SSD等）。
• NOR Flash：速度较慢但可按字节进行读写，主要用于代码存储，适合嵌入式系统。

EEPROM vs FLASH

特性	EEPROM	FLASH
存储容量	较小，一般为几KB到几MB	较大，可以达到几GB
数据擦除方式	按字节擦除	按块擦除（大块范围，一般几KB至几MB）
写入速度	较慢，尤其在单个字节写入时	较快，适合大块数据写入
擦写次数	较多，通常达到100,000次以上	较少，通常为10,000到100,000次
应用场景	存储配置参数、序列号、校准数据等	存储操作系统、应用程序、数据文件等
价格	较贵，尤其在小容量时	相对便宜，适用于大容量存储

• EEPROM通常用于存储少量的数据，比如设备配置、用户设置等，需要频繁的、字节级的读写操作。它的主要优点是可以单独字节擦写，但容量较小，写入速度较慢。
• FLASH则适用于大容量的存储需求，广泛用于存储操作系统、应用程序、媒体文件等。由于其按块擦除的特性，写入速度较快，但擦写次数较少，适合大数据量的存储。

对于嵌入式系统来说，EEPROM适用于需要频繁更新的小量数据，而FLASH则适合存储较大的程序或数据集。

STM32F429中的FLASH

组织架构

STM32F429 本身没有自带 EEPROM，但是 STM32F429 具有 IAP（在应用编程）功能，所以我们可以把它的 FLASH 当成 EEPROM 来使用。对于F429IGT6来说，其FLASH容量为1024KB。FLASH模块分为：

• 主存储器：该部分用来存放代码和数据常数（如 const 类型的数据）。分为两个 Bank，每个 Bank 分为 12 个扇区，前 4 个扇区为 16KB 大小，第五个扇区是 64KB 大小，剩下的 7 个扇区都是 128K大小，总共 1M 字节。两个 Bank 就是 2M 字节。不同容量的 STM32F429，拥有的扇区数不一样。以STM32F429IGT6为例，只有 Bank1，拥有 12 个扇区，1M 字节容量。主存储器的起始地址一般为 0X08000000，B0、B1 都接 GND 的时候，就是从0X08000000 开始运行代码的。
• 系统存储器：主要用来存放 STM32F429的 bootloader代码，此代码在出厂时已经固化在 STM32F429 内，专门用来给主存储器下载代码。当 B0 接 V3.3，B1 接 GND 的时候，从该存储器启动（即进入串口下载模式）。
• OTP区域（一次性可编程区域）：共 528 字节，被分成两个部分，前面 512字节（32 字节为1块，分成16块），可以用来存储一些用户数据（一次性，写完一次，永远不可以擦除），后面 16 字节，用于锁定对应块。
• 选项字节：用于配置读保护、BOR 级别、软件/硬件看门狗以及器件处于待机或停止模式下的复位。

在执行闪存写操作时，任何对闪存的读操作都会锁住总线，在写操作完成后读操作才能正
确地进行；即在进行写或擦除操作时，不能进行代码或数据的读取操作。

读取

为了准确读取 Flash 数据，必须根据 CPU 时钟 (HCLK) 频率和器件电源电压在 Flash 存取控制寄存器 (FLASH_ACR) 中正确地设置等待周期数 (LATENCY)。当电源电压低于 2.1V 时，必须关闭预取缓冲器。

等待周期通过FLASH_ACR寄存器的LATENCY[2:0]三个位设置。

STM32读取FLASH很简单，例如要从地址addr读取一个字（32位），只需要一句话：

Data = *(volatile uint32_t *)faddr;

将 faddr 强制转换为 volatile uint32_t 指针，然后取该指针所指向的地址的值，即得到了 faddr 地址的值。类似的，将上面的 volatile uint32_t 改为 volatile uint8_t，即可读取指定地址的一个字节。此处的 volatile 关键字告诉编译器该地址的内容可能随时改变，因此禁止编译器对该地址做任何优化。通常用于表示硬件寄存器或外设的内存地址，因为这些内容的值可能由外部事件（如外部硬件）改变。

编程和擦除

执行任何 Flash编程操作（擦除或编程）时，CPU时钟频率（HCLK）不能低于 1MHz。在对 STM32F429 的 Flash 执行写入或擦除操作期间，任何读取 Flash 的尝试都会导致总线阻塞。只有在完成编程操作后，才能正确处理读操作。这意味着，写/擦除操作进行期间不能从 Flash 中执行代码或数据获取操作。

STM32F429 用户闪存的编程一般由 6 个 32 位寄存器控制，他们分别是：

• FLASH 访问控制寄存器(FLASH_ACR)
• FLASH 秘钥寄存器(FLASH_KEYR)
• FLASH 选项秘钥寄存器(FLASH_OPTKEYR)
• FLASH 状态寄存器(FLASH_SR)
• FLASH 控制寄存器(FLASH_CR)
• FLASH 选项控制寄存器(FLASH_OPTCR)

STM32F429复位后，FLASH 编程操作是被保护的，不能写入 FLASH_CR寄存器；通过写入特定的序列（0X45670123 和 0XCDEF89AB）到 FLASH_KEYR 寄存器才可解除写保护，只有在写保护被解除后，我们才能操作相关寄存器。

FLASH_CR 的解锁序列为：

1. 写 0X45670123 到 FLASH_KEYR
2. 写 0XCDEF89AB 到 FLASH_KEYR

通过这两个步骤，即可解锁 FLASH_CR，如果写入错误，那么 FLASH_CR 将被锁定，直到下次复位后才可以再次解锁。

STM32F429 闪存的编程位数可以通过 FLASH_CR 的 PSIZE 字段配置，PSIZE 的设置必须
和电源电压匹配：

当开发板电压为3.3V时，PSIZE为10，并行位数32位。也就是擦除或编程都需要以32位为基础进行。

FLASH在编程时必须要求目标写入地址的FLASH已经被擦除（值为0xFFFFFFFF），否则将无法写入。

F429的FLASH标准编程步骤如下：

1. 检查FLASH_CR中的BSY位，确保总线空闲
2. 将FLASH_CR寄存器的PG位置1，激活FLASH编程
3. 针对所需存储地址（主存储器块或 OTP 区域内）执行数据写入操作：
   • 并行位数为x32时按字写入（PSIZE=02）
4. 等待BSY位清零

注意：
- 编程前确保写入地址已经擦除
- 先解锁FLASH_CR后编程

扇区擦除步骤如下：

1. 检查FLASH_CR的LOOK是否解锁，如果没有则先解锁
2. 检查FLASH_CR中的BSY位，确保总线空闲
3. FLASH_CR的SER位置1，并从主存储块的12个扇区中选择要擦除的扇区（SNB）
4. FLASH_CR寄存器中STRT位置1，触发擦除
5. 等待BSY位清零

寄存器

FLASH_ACR - Flash访问控制寄存器

重点为LATENCY[2:0]位，应根据MCU电压和频率设置，否则死机。

FLASH_KEYR - Flash密钥寄存器

用于解锁FLASH_CR，必须按顺序写入KEY1和KEY2

FLASH_CR - Flash控制寄存器

• LOCK位：用于指示 FLASH_CR 寄存器是否被锁住，该位在检测到正确的解锁序列后，硬件将其清零。在一次不成功的解锁操作后，在下次系统复位之前，该位将不再改变。
• PG位：用于选择编程操作，在往 FLASH 写数据的时候，该位需要置 1。
• SER位：位用于选择扇区擦除操作，在扇区擦除的时候，需要将该位置 1。
• PSIZE[1:0]位：设置编程宽度，一般设置 PSIZE =2 即可（32 位）。
• STRT位：该位用于开始一次擦除操作。在该位写入 1 ，将执行一次擦除操作。
• SNB[3:0]位：用于选择要擦除的扇区编号，取值范围为 0~15。

FLASH_SR - Flash状态寄存器

• BSY位：确认BANK是否正在执行编程操作

代码

读取

 /**
 * @brief       从指定地址读取一个字（32位）
 * @param       faddr   : 读取地址
 * @retval      读取到的数据（32位）
 */
uint32_t stmflash_read_word(uint32_t faddr)
{
    return *(volatile uint32_t *)faddr;
}

/**
* @brief 从指定地址开始读出指定长度的数据
* @param raddr : 起始地址
* @param pbuf : 数据指针
* @param length: 要读取的字(32)数,即 4 个字节的整数倍
* @retval 无
*/
void stmflash_read(uint32_t raddr, uint32_t *pbuf, uint32_t length)
{
    uint32_t i;

    for (i = 0; i < length; i++)
    {
        pbuf[i] = stmflash_read_word(raddr);
        raddr += 4;
    }
}

写入

写入相对来说复杂一点，首先要判断写入地址是否正确（不能超出FLASH地址范围，不能不是4的倍数），判断通过后，解锁FLASH，禁用数据缓存，然后判断待写入地址范围是否为0xFFFFFFFF。如果是，表明该地址已经被擦除；如果不是，表明该地址需要先擦除，再写入。

void stmflash_write(uint32_t waddr, uint32_t *pbuf, uint32_t length)
{
    FLASH_EraseInitTypeDef flash_erase_init;
    HAL_StatusTypeDef flashstatus = HAL_OK;
    uint32_t sector_error = 0;
    uint32_t addrx = 0;
    uint32_t endaddr = 0;

    if (waddr < STM32_FLASH_BASE || waddr % 4 || waddr > (STM32_FLASH_BASE + STM32_FLASH_SIZE)) return;     /* 地址非法 */

    HAL_FLASH_Unlock();

    FLASH->ACR &= ~(1 << 10);       /* 禁用数据缓存 */
    addrx = waddr;                  /* 写入起始地址*/
    endaddr = waddr + length * 4;   /* 写入结束地址 */

    if (addrx < 0x1FFF0000)  /* 主存储区*/
        while (addrx < endaddr)
        {
            if (stmflash_read_word(addrx) != 0xFFFFFFFF)        /* 当前地址不为0xFFFFFFFF则表示需要擦除此地址 */
            {
                flash_erase_init.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;
                flash_erase_init.Sector = stmflash_get_flash_sector(addrx);
                flash_erase_init.NbSectors = 1;
                flash_erase_init.VoltageRange = FLASH_VOLTAGE_RANGE_3;

                if (HAL_FLASHEx_Erase(&flash_erase_init, &sector_error) != HAL_OK) break;
            }
            else
            {
                addrx += 4;
            }
            FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_WAITETIME);
        }
    flashstatus = FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_WAITETIME);
    if (flashstatus == HAL_OK)
    {
        while (waddr < endaddr)
        {
            if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, waddr, *pbuf) != HAL_OK) break;
            waddr += 4;
            pbuf++;
        }
    }
    FLASH->ACR |= 1 << 10;     /* 启用数据缓存 */

    HAL_FLASH_Lock();
}

这里有几个需要注意的点：

1. 擦除和写入期间必须禁用数据缓存，否则缓存器中的缓存内容和新的内容可以不一致导致bug。禁用数据缓存通过位操作FLASH->ACR &= ~(1 << 10)实现，1 << 10表示1左移10位，~表示取反。
2. 擦除操作通过HAL_FLASHEx_Erase()实现，HAL库对于该函数的定义为：

/**
  * @brief  Perform a mass erase or erase the specified FLASH memory sectors
  * @param[in]  pEraseInit pointer to an FLASH_EraseInitTypeDef structure that
  *         contains the configuration information for the erasing.
  *
  * @param[out]  SectorError pointer to variable  that
  *         contains the configuration information on faulty sector in case of error
  *         (0xFFFFFFFFU means that all the sectors have been correctly erased)
  *
  * @retval HAL Status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit, uint32_t *SectorError)

形参1为存储擦除配置的结构体，形参2为存储报错信息的变量。
结构体格式为：

/**
  * @brief  FLASH Erase structure definition
  */
typedef struct
{
  uint32_t TypeErase;   /*!< Mass erase or sector Erase.
                             This parameter can be a value of @ref FLASHEx_Type_Erase */

  uint32_t Banks;       /*!< Select banks to erase when Mass erase is enabled.
                             This parameter must be a value of @ref FLASHEx_Banks */

  uint32_t Sector;      /*!< Initial FLASH sector to erase when Mass erase is disabled
                             This parameter must be a value of @ref FLASHEx_Sectors */

  uint32_t NbSectors;   /*!< Number of sectors to be erased.
                             This parameter must be a value between 1 and (max number of sectors - value of Initial sector)*/

  uint32_t VoltageRange;/*!< The device voltage range which defines the erase parallelism
                             This parameter must be a value of @ref FLASHEx_Voltage_Range */

} FLASH_EraseInitTypeDef;

3. 全部擦除完成并等待FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_WAITETIME)传回HAL_OK后，才可以开始进行。写入函数为HAL_FLASH_Program：

/**
  * @brief  Program byte, halfword, word or double word at a specified address
  * @param  TypeProgram  Indicate the way to program at a specified address.
  *                           This parameter can be a value of @ref FLASH_Type_Program
  * @param  Address  specifies the address to be programmed.
  * @param  Data specifies the data to be programmed
  *
  * @retval HAL_StatusTypeDef HAL Status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Program(uint32_t TypeProgram, uint32_t Address, uint64_t Data)

形参1用于指定写入的是字节（8位）、半个字（16位）、字（32位）或双字（64位）；形参2为写入地址，形参3为待写入数据。连续写入时，形参3一般设置为指针，每次循环对相应地址+1处理。
4. 写入完成后，启用数据缓存，FLASH上锁。