[MCU] 分享：沁恒 CH32V103 内置 Flash 延长使用时间及均衡磨损写入

火辣西米秀 2021-10-7 20:04 楼主

单片机在断电后，RAM 数据区的数据就会全部丢失
　　用 MP3 播放器打个比方，如果每次重新开机，都从第一首开始播放，过不了几天，再听到这首歌就会像听到早上的闹钟一样

　　如果想保存当前播放的曲目，下次开机时继续播放，则需要将参数保存在 EEPROM 或者 FLASH 里
　　但是，EEPROM 或者 FLASH 可靠吗？

　　EEPROM 例如 AT24Cxx 系列，寿命大致为10万次擦写，如果每播放一首，擦写一次 EEPROM，每天20首歌，可以用13年，可以用到过时

　　外置 Flash 例如 W25Qxx 系列，基本也能达到10万次擦写寿命
　　内置 Flash 则相对比较娇贵了，寿命大致在1万次擦写，使用寿命打折到1年，这。。。

　　有什么办法能延长使用时间呢？

　　一、减少擦写次数
　　　　每次擦写前先读取，如果数据一致，则没必要再进行擦写
　　　　缓存需要擦写的数据，仅擦写最后的数据，变多次为一次

　　　　使用电池或大电容蓄电，在断电时统一保存数据，这样断电一次，只擦写一次

　　二、以空间换时间
　　　　如果频繁擦写不可避免，可以分散对单个存储单元擦写的压力，均衡磨损多个存储单元

　　举个栗子：

　　　　一双鞋每天穿，可以穿1年，买10双轮流穿，就可以穿10年了吧

　　Flash 擦写也是一样，多个区块轮流擦写，这样寿命就可以UpUpUp了

　　以沁恒 CH32V103 为例，芯片兼容 STM32F103 的 1024 字节 Flash 区块擦写，还支持 128 字节的快速擦写模式

　　正常存储参数时，先擦除 1 个区块 1024 字节空间，再写入 1 个 unsigned short 或者 unsigned long 参数，即 2~4 字节

　　为了延长 Flash 使用时间，我们同样使用 1 个区块 1024 字节空间，在写入 1 个 unsigned long 参数时，判断 Flash 空间是否为空（为 0xFFFFFFFF），如果非空，往后 4 字节判断是否为空，直到找到空的 Flash 空间，如果超出 1024 字节空间还没找到空区间，则擦除整个区块，把参数写在第一个字节空间

　　读取参数类似，从第一个空间开始往后读取，找到最后一个非空单元，该单元存储的参数即为最后存的参数

　　这样就实现了对该区间的均衡磨损，如果区块大小为 1024 字节，折寿命直接延长为 1024 / 4 字节 = 256倍，够用到退休了

　　并且这个 1024 字节区间还可以扩展为 2048 甚至更多，寿命呈倍数增长

　　均衡写入代码如下，Addr 参数为内部 Flash 地址，Size 为区块大小，单个参数在这个区块内均衡磨损读写，Data 即为需要写入的数据：

u8 Flash_Balance_WriteU32(u32 Addr, u32 Size, u32 Data)

{

  u8 ret;

  u32 i;

  for(i=0; i<Size; i+=4)

  {

    if(Flash_ReadU32(Addr+i) == 0xffffffff) break;

  }

  if(i >= Size)

  {

    ret = 0;

    for(i=0; i<Size; i+=FLASH_SECTOR_SIZE)

    {

      ret |= Flash_EraseSector(Addr+i);

    }

    ret |= Flash_WriteU32(Addr, Data);

  }

  else

  {

    ret = Flash_WriteU32(Addr+i, Data);

  }

  return ret;

}

均衡读取代码如下：

u8 Flash_Balance_ReadU32(u32 Addr, u32 Size, u32 *Data)

{

  u32 i;

  for(i=0; i<Size; i+=4)

  {

    if(Flash_ReadU32(Addr+i) == 0xffffffff) break;

  }

  if(i == 0)

  {

    *Data = 0xffffffff;

    return SR_ERR;

  }

  else

  {

    *Data = Flash_ReadU32(Addr+i-4);

    return SR_OK;

  }

}

　问题一：效率高吗？由于均衡磨损基于查找算法，从头到尾查找，区间大小变大时，需要查找整个区间，查找时间会变多，效率会变低，所以 Size 不能取太大

　　解决办法也有很多，前辈们设计了很多查找算法，例如二分法，就能更好的处理大区间查找

　　问题二：可靠性高吗？如果在区间满的时候，写入数据，这时候会擦除整个区间，在擦除完成时如果异常断电，则会丢失这个数据

　　采用通用擦写操作时，这个问题也会出现，由于 Flash 需要擦除，再写入，所以擦除完还没写入时断电，都会导致数据丢失，这个问题解决办法也有很多，可以使用 EEPROM，不需要擦除就没有这个问题，也可以先备份数据设置标志位，再擦除，再写入，这里就不再扩展

　　问题三：可以存多少个数据？理论上 1 个区块存 1 个数据，也可以多个区块存 1 个数据

　　如果想 1 个区块存多个数据，甚至存多个可变长度数据例如字符串，可以采用帧头+数据长度+删除标志位+数据的方式进行读写，方法有很多种，这个我也曾经做过，可以一起讨论

　　优点一：在未进行擦除前，历史参数可还原

　　由于区块未满前，设置的数据依次往后填充区块，所以很容易找的每次设置的参数，知道每次设置都设置了哪些参数

　　当然还有上面提到的增加使用时间等优点，由于不用擦除，在一些时候也会减少写入时间。