打卡第二十五集-FLASH模拟EEPROM
关于 IAP 技术，做过 bootloader 的想必很熟悉 （IAP全称 In Application Programming，即应用编程），和 ISP （全称 In System Programming，即系统编程）不同，ISP 一般都是通过专业的调试器或者下载器对单片机内部的 Flash 存储器进程编程（如JTAG等），而 IAP 技术是从结构上将 Flash 储存器映射分为两个或者多个分区，在一个分区中对其他分区进行编程，这个分区通常称为 bootloader
一、FLASH 和 EEPROM
1. 狭义 EEPROM
- 特点：按字节擦写。可以单独修改某一个字节，无需擦除整个区域。
- 寿命：约 100 万次擦写，数据保留 100 年。
- 容量：通常很小（几十 KB 到几百 KB），很少超过 512 KB。
- 成本：较高，电路复杂。
- 典型用途：存储需要频繁修改的用户配置、校准参数、运行日志等。
2. FLASH（属于广义 EEPROM）
- 特点：按块/扇区擦除（不能直接改写单个字节）。写入前必须先擦除（将块内所有位变为 1，即 0xFF），然后再编程。
- 寿命：擦写次数较少，通常 1 万～10 万次（Nor Flash 约 10 万次，Nand Flash 更少）。
- 容量：大，从几十 KB 到数 GB。
- 成本：低，集成度高。
- 典型用途：存储程序代码（固件）、大容量文件系统。
3. 关键区别表
| 特性 |
狭义 EEPROM |
FLASH（Nor Flash） |
| 擦写单位 |
字节（Byte） |
块/扇区（512 B~ 128 KB） |
| 改写方式 |
直接写新数据即可 |
必须先擦除块，再写入 |
| 擦写次数 |
100 万次 |
1 万～10 万次 |
| 速度 |
写入较慢（ms 级） |
擦除慢（ms~s），写入快 |
| 成本/容量 |
贵、小 |
便宜、大 |
二、没有独立 EEPROM 时，如何保存掉电数据？
现在的单片机（如 STM32、ESP32、GD32 等）通常只内置 FLASH，不再单独集成 EEPROM。但我们可以用 Flash 模拟 EEPROM 的方法，或者外接存储芯片。
✅ 方法一：使用片内 FLASH 模拟 EEPROM（最常用）
原理：
利用 FLASH 的一个扇区（或几个扇区），通过软件算法实现类似 EEPROM 的“按字节修改”效果。核心思路是：
- 写入：不直接覆盖原数据，而是将新数据追加写入到扇区中未使用的区域，旧数据标记为无效。
- 读取：扫描扇区，找到最新版本的有效数据。
- 垃圾回收：当扇区快写满时，将有效数据拷贝到另一个空闲扇区，然后擦除原扇区。
这就是著名的 “磨损均衡” + “增量存储” 技术，很多厂商提供了现成的库：
- STM32：EEPROM Emulation 库（基于 FLASH）。
- 其他 MCU：可以自行实现简易版本，或使用开源库（如 EasyFlash、FlashDB）。
优缺点：
- ✅ 不增加硬件成本。
- ✅ 可达到 10 万次以上的有效擦写寿命（通过磨损均衡）。
- ❌ 需要额外的代码和 RAM 开销。
- ❌ 写入速度比真正 EEPROM 慢（因为涉及扫描、拷贝）。
示例（伪代码思路）：
c
// 写入一个字节（或参数）
void eeprom_write(uint16_t addr, uint8_t data) {
// 在 FLASH 中找一个空闲位置，写入 {addr, data, 校验}
// 如果扇区满了，就触发垃圾回收
}
// 读取一个字节
uint8_t eeprom_read(uint16_t addr) {
// 扫描整个模拟区，找到 addr 对应的最新数据
}
✅ 方法二：使用外部 EEPROM 芯片
如果对擦写寿命要求极高（如每天修改数千次），或者不想写复杂代码，可以外挂一颗 I²C/SPI 接口的 EEPROM（如 AT24Cxx 系列，容量 2Kb~512Kb）。
- 优点：简单可靠，按字节读写，寿命 100 万次。
- 缺点：增加 PCB 面积和成本。
✅ 方法三：使用 FRAM（铁电存储器）
FRAM 像 EEPROM 一样非易失，但速度更快（类似 SRAM），擦写次数近乎无限（10¹² 次以上）。常见型号：FM24C04、MB85RCxx。
- 优点：完美替代 EEPROM，无需模拟。
- 缺点：价格较贵，货源不如 EEPROM 普遍。
✅ 方法四：优化应用层设计，减少擦写次数
即使没有 EEPROM，你也可以通过软件技巧延长 FLASH 寿命：
- 数据聚合：将多次修改暂存在 RAM 中，只在掉电前或累计一定次数后写入 FLASH。
- 利用备份寄存器：部分 MCU（如 STM32）有几十字节的 后备寄存器（由 VBAT 供电），掉电后数据不丢失，可当超小 EEPROM 用。
- 使用外部 FRAM/EEPROM 如前所述。
三、总结建议
| 场景 |
推荐方案 |
| 修改次数少（每天 < 10 次），成本敏感 |
FLASH 模拟 EEPROM（厂商库） |
| 修改频繁（每小时 > 100 次），寿命要求高 |
外接 EEPROM 或 FRAM |
| 需要极低功耗、简单接口 |
外接 I²C EEPROM |
| 只有几个字节的参数，且 MCU 有后备寄存器 |
使用后备寄存器（如 STM32 的 RTC BKP） |
最后提醒：如果用 FLASH 模拟 EEPROM，一定要注意掉电保护——在擦除/写入 FLASH 时若突然断电，可能导致数据损坏。常用对策：使用双扇区备份 + 写入完成标志。
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