flash模擬eeprom存儲日志的原理

• 文章目的

• 采用flash模擬eeprom的優(yōu)點

• 方案設計

• 注意事項

文章目的

做mcu開發(fā)時，涉及到數(shù)據(jù)存儲時，往往都會考慮使用flash、eeprom，或者鐵電存儲器。從數(shù)據(jù)儲存的角度上來說，安全性最高的肯定是FRAM，接著才會考慮使用EEPROM，對于一般的數(shù)據(jù)儲存，flash就足夠了?？紤]到一般的MCU都不會攜帶EEPROM，最簡單的方案可以利用flash模擬出eeprom，并且實現(xiàn)基本的日志文件系統(tǒng)操作，下面來描述一下基本的原理。

采用flash模擬eeprom的優(yōu)點

一般做mcu開發(fā)時，都會存儲數(shù)據(jù)，如果有文件系統(tǒng)，可以寫到文件中，但是一般不用文件系統(tǒng)時，則直接操作flash的讀寫。根據(jù)flash的操作特點，一方面是flash是只能從1變?yōu)?，不能從0寫到1。只有當擦除一個頁的時候，才能將該頁上的數(shù)據(jù)從0變?yōu)?。以一個頁為4K大小來計算，如果每次存幾十個字節(jié)，并且多次重復操作，那么每次都需要擦除一個頁之后再寫數(shù)據(jù)。

假如用戶數(shù)據(jù)是一連串的狀態(tài)信息，每次都只會改變其中的一個狀態(tài)，或者一個字節(jié)，那么每次操作都會將flash上所有的用戶數(shù)據(jù)讀到內存中，然后將內存中的數(shù)據(jù)的變化的狀態(tài)位改變，然后再擦除page，接著再將內存中的數(shù)據(jù)寫到flash的page上。

由于flash的讀寫壽命有限，在10w次左右，并且擦除page消耗的時間很長。所以上述方案存在缺陷，那么如何才能讓flash像eeprom一樣讀寫，而且操作也不用每次擦除flash呢？

方案設計

為了非常容易的將flash當作eeprom來使用，需要確保兩個條件

1.讀寫的數(shù)據(jù)量至少小于1/2的flash的一個page數(shù)據(jù)量的大小

2.準備至少兩個pages

然后就可以開始設計數(shù)據(jù)的搬運了。

每個page的數(shù)據(jù)結構可以按照上圖所示進行設計。

首先每個pages的頭部都會有一個標志，用于描述當前的pages的狀態(tài)，其狀態(tài)有未初始化、有效、無效。具體場景是，當未初始化時，由于flash的電氣特性，其flags為0xff，此時需要初始化該page，往其標志位寫有效即可。然后依次向下存放數(shù)據(jù)，此時由于知道每次寫的數(shù)據(jù)量的大小，只需要確定其偏移量即可。

而這樣也會帶來一個問題，就是如何確保每次斷電后再上電也能知道當前寫數(shù)據(jù)的偏移？

要想解決這個問題，可以在每次上電的時候，遍歷該page0，通過讀取特定的用戶數(shù)據(jù)的標志位來確保得到當前數(shù)據(jù)的偏移量，然后就可以記錄在內存中，接著執(zhí)行了。

當數(shù)據(jù)在一個page0中存滿后，此時需要將數(shù)據(jù)轉移到page1了。這個過程比較可以好好分解一下：

因為是日志型的數(shù)據(jù)類型，一定會存在數(shù)據(jù)被刪除或者更新的情況，所以page0中會有兩個同為index=0的用戶數(shù)據(jù)。而且是最新的在后面。

一旦程序在pages上進行數(shù)據(jù)的寫操作時，檢查到剩余的pages空間不足則會將page0的狀態(tài)設置成無效，接著開始將page1的flags設置為有效狀態(tài)，同時開始將pages0中的數(shù)據(jù)轉移到page1，注意在轉移的時候，需要檢查page0中的index，用最新的數(shù)據(jù)取代舊的數(shù)據(jù)。最后擦除page0即可。

依次按照上面的順序進行數(shù)據(jù)的搬運即可實現(xiàn)日志型數(shù)據(jù)操作的存儲。

注意事項

該方案的使用，在很多情況下都可以很好的操作，但是一旦用戶數(shù)據(jù)量很大，接近1/2的page數(shù)據(jù)量時，頻繁的擦寫flash的問題也會存在。

隨著page個數(shù)的增加，也可以減少擦除的次數(shù)，帶來的問題是程序設計的更加復雜。

實際使用的過程中每個pages的flag標志不一定只有有效和無效的狀態(tài)，比如在轉移過程中，突然斷電了，為了保證數(shù)據(jù)的不丟失，一定要考慮到每個page異常情況下的狀態(tài)，并能夠恢復數(shù)據(jù)。達到掉電安全狀態(tài)。

有了這些后臺管理機制，再寫日志時，上層便可以直接使用讀寫函數(shù)進行操作，而不用管底層到底是flash還是eeprom。