单片机Flash模拟EEPROM：轮询算法实现百万次存储的实战解析-优快云博客

1. 为什么需要Flash模拟EEPROM

在单片机开发中，数据存储是一个绕不开的话题。很多项目都需要保存一些配置参数，比如设备的运行模式、用户的设置选项、或者系统运行时的状态信息。这些数据需要在断电后依然保持，下次上电时还能读取出来。这时候，很多人首先想到的就是EEPROM。

EEPROM确实是个好东西，它可以按字节读写，不需要整个擦除就能修改数据，而且擦写寿命通常能达到10万次以上。但问题来了：不是所有单片机都内置EEPROM！比如STM32F1系列、STM32F4系列这些常用型号，根本就没有内置EEPROM。即使有内置EEPROM的型号，比如STM32L0系列，其擦写次数也就10万次左右，对于一些需要频繁保存数据的应用场景来说，这个次数可能不够用。

这时候，Flash模拟EEPROM的技术就派上用场了。几乎所有单片机都有Flash存储器，用来存储程序代码，我们完全可以利用这部分Flash来模拟EEPROM的功能。但是Flash有个先天不足：它的擦写寿命通常只有1万次左右，比EEPROM少了一个数量级。

我最近在一个项目中就遇到了这个问题。需要保存16字节的配置数据，每次改变其中一个字节就要保存一次，客户要求达到100万次的存储寿命。用真正的EEPROM肯定没问题，但为了降低成本，我决定用Flash来模拟EEPROM，并通过算法优化实现百万次的存储目标。

2. Flash存储的基本原理与挑战

2.1 Flash与EEPROM的根本区别

要理解为什么Flash的擦写次数有限，我们得先了解Flash的物理结构。Flash存储器是由大量的浮栅MOS管组成的，每个MOS管可以存储一个比特的数据。写入数据时，需要通过高压将电子注入浮栅；擦除数据时，又需要施加反向高压将电子拉出来。

这个注入和拉出的过程会对浮栅造成物理损伤，就像反复弯曲一根铁丝最终会断裂一样。EEPROM之所以寿命更长，是因为它的存储单元结构和操作电压与Flash有所不同，能够承受更多次的擦写操作。

Flash还有一个特点：它必须按页擦除，按字编程。以STM32G071为例，它的Flash每页大小是2KB，要修改一个字节，必须先擦除整个页，然后再写入新数据。这就带来了一个严重的问题：如果我们每次只修改16字节的数据，却要擦除整个2KB的页，实在是太浪费了！

2.2 磨损均衡的重要性

既然Flash的擦写次数有限，我们就需要想办法让整个Flash页的磨损尽量均匀。这就好比一条马路，如果所有车辆都走同一个车道，这个车道很快就会损坏；如果让车辆均匀分布在所有车道上，整条路的寿命就会长很多。

磨损均衡算法就是解决这个问题的关键。通过让写操作均匀分布在整个Flash页上，我们可以将实际擦除次数分摊到所有存储单元上，从而大幅提高整体寿命。

在我的项目中，Flash页大小是2KB，每次存储16字节数据。如果不做任何优化，直接反复擦写同一个区域，最多只能达到1万次的寿命，远远达不到100万次的要求。但通过轮询存储算法，我可以让写操作分布在整个页上，理论寿命可以达到128万次！

3. 轮询存储算法的核心思想

3.1 算法基本原理

轮询存储算法的核心思想很简单：不要总是在同一个地方写数据，而是轮流在不同的位置写入。就像吃饭时不要总用同一个碗，而是轮流使用多个碗，这样每个碗的磨损就会均匀很多。

具体来说，我将在Flash页中划分出多个存储槽，每个槽大小正好是16字节。第一次写入时，使用第一个槽；第二次写入时，使用第二个槽；依此类推，直到写满整个页。当页写满后，再擦除整个页，从头开始循环。

STM32G071的Flash页大小是2KB，每个存储槽16字节，那么一页可以划分出128个存储槽（2048 ÷ 16 = 128）。每个槽写一次，写满一页需要128次写入，然后擦除一次。由于Flash的擦写寿命是1万次，所以理论总寿命是128 × 10000 = 128万次，完全满足100万次的要求。