APM32F4 Flash模拟EEPROM介绍和代码实现
《apm32芯得》系列内容为用户使用apm32系列产品的经验总结，均转载自21ic论坛极海半导体专区，全文未作任何修改，未经原文作者授权禁止转载。
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：
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：
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：
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：
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。
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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：
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：
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：
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：
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。
凌力尔特：太阳能和风能在智能电网中所涉及的关键半导体技术
光纤耦合半导体激光器的基础知识
振动筛配件有啥？
只租不卖？服务器内存探索新的商业模式
小霸王声明并未破产，此小霸王非彼小霸王
APM32F4 Flash模拟EEPROM介绍和代码实现
图森未来获得上海市智能网联汽车示范应用资格
Wi-Fi 6是什么，它自身具有哪些优势
4中二叉树的遍历方式介绍
基于SAR转换器防止应用前端产生冲突
Vivado不是FPGA的设计EDA工具嘛？
亚运会智能交通电子警察系统
高频变压器的骨架介绍
投资5000万元！瑞能半导取得中电化合物1.4663%股权
Arm的IPO结果会如何？Arm如何抵御来势汹汹的RISC-V？
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两家超过100亿IC设计巨头,给国内芯片产业新希望!
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移动设备崛起时代，看汽车制造厂如何锁定商机
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