flash模擬eeprom存儲(chǔ)日志的原理

• 文章目的

• 采用flash模擬eeprom的優(yōu)點(diǎn)

• 方案設(shè)計(jì)

• 注意事項(xiàng)

文章目的

做mcu開發(fā)時(shí)，涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，往往都會(huì)考慮使用flash、eeprom，或者鐵電存儲(chǔ)器。從數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的角度上來說，安全性最高的肯定是FRAM，接著才會(huì)考慮使用EEPROM，對(duì)于一般的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，flash就足夠了?？紤]到一般的MCU都不會(huì)攜帶EEPROM，最簡單的方案可以利用flash模擬出eeprom，并且實(shí)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(diǎn)

一般做mcu開發(fā)時(shí)，都會(huì)存儲(chǔ)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(shí)，則直接操作flash的讀寫。根據(jù)flash的操作特點(diǎn)，一方面是flash是只能從1變?yōu)?，不能從0寫到1。只有當(dāng)擦除一個(gè)頁的時(shí)候，才能將該頁上的數(shù)據(jù)從0變?yōu)?。以一個(gè)頁為4K大小來計(jì)算，如果每次存幾十個(gè)字節(jié)，并且多次重復(fù)操作，那么每次都需要擦除一個(gè)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(huì)改變其中的一個(gè)狀態(tài)，或者一個(gè)字節(jié)，那么每次操作都會(huì)將flash上所有的用戶數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中，然后將內(nèi)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(nèi)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(shí)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(shè)計(jì)

為了非常容易的將flash當(dāng)作eeprom來使用，需要確保兩個(gè)條件

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

2.準(zhǔn)備至少兩個(gè)pages

然后就可以開始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的搬運(yùn)了。

每個(gè)page的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以按照上圖所示進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先每個(gè)pages的頭部都會(huì)有一個(gè)標(biāo)志，用于描述當(dāng)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(dāng)未初始化時(shí)，由于flash的電氣特性，其flags為0xff，此時(shí)需要初始化該page，往其標(biāo)志位寫有效即可。然后依次向下存放數(shù)據(jù)，此時(shí)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(huì)帶來一個(gè)問題，就是如何確保每次斷電后再上電也能知道當(dāng)前寫數(shù)據(jù)的偏移？

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

當(dāng)數(shù)據(jù)在一個(gè)page0中存滿后，此時(shí)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到page1了。這個(gè)過程比較可以好好分解一下：

因?yàn)槭侨罩拘偷臄?shù)據(jù)類型，一定會(huì)存在數(shù)據(jù)被刪除或者更新的情況，所以page0中會(huì)有兩個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的寫操作時(shí)，檢查到剩余的pages空間不足則會(huì)將page0的狀態(tài)設(shè)置成無效，接著開始將page1的flags設(shè)置為有效狀態(tài)，同時(shí)開始將pages0中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到page1，注意在轉(zhuǎn)移的時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)即可實(shí)現(xiàn)日志型數(shù)據(jù)操作的存儲(chǔ)。

注意事項(xiàng)

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(shí)，頻繁的擦寫flash的問題也會(huì)存在。

隨著page個(gè)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(shè)計(jì)的更加復(fù)雜。

實(shí)際使用的過程中每個(gè)pages的flag標(biāo)志不一定只有有效和無效的狀態(tài)，比如在轉(zhuǎn)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(gè)page異常情況下的狀態(tài)，并能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)。達(dá)到掉電安全狀態(tài)。

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