【嵌入式】STM32内部NOR Flash磨损平衡与掉电保护总结

在这里插入图片描述

1. NOR Flash与NAND Flash

先deepseek看结论：

特性	Nor Flash	NAND Flash
读取速度	快（支持随机访问，直接执行代码）	较慢（需按页顺序读取）
写入/擦除速度	慢（擦除需5秒，写入需逐字节操作）	快（擦除4ms，按块操作）
存储密度	低（1MB-1GB，适合小容量）	高（8GB-1TB+，适合大容量）
擦写寿命	约10万次	约100万次
成本	高	低
坏块管理	无需坏块管理，可靠性高	需ECC纠错和坏块管理
代码执行	直接运行代码	需将代码加载到RAM运行

本次只针对STM32内部Flash，即Nor Flash进行总结，不考虑坏块问题。
本次设计结合实际项目，存储固定个数的文件进行说明，文件存储时包含文件索引+文件内容。

2. 掉电保护原理

2.1 Flash擦除过程掉电

参考链接nor flash之擦除与写入，擦除的步骤有三步：

先设置全0，此过程掉电，FLASH前面部分数据会变成0，后面部分数据不变；
擦除，此过程掉电，FLASH全部数据可能是错乱的数值；
维持全1，此过程掉电，FLASH中大部分数据读出是0xFF,某些部分读出的数据可能为其他数值；

通过设置magic num，且存放在扇区头部，可以解决前两种问题，但第三种无法解决，这种问题只能通过扫描是否全是0xFF来检查并重新擦除！

2.2 Flash写入过程掉电

掉电后，前面写入的数据为正常数据，后面未写入，仍未0xFF。
比如写一个结构体，可能会出现写一半的情况，可通过一个状态字段来进行识别，后面进行详细说明。

2.3 磨损平衡

考虑到FLASH的寿命，写入数据时是增量写入的，比如修改一个变量或者结构，会重新写入一个新的，同时将旧的标记为已删除，这个标记可以和状态字段整合到一起。
还需要考虑扇区写满后数据转移的问题，本次项目中采用主扇区和备份扇区交替写入的机制来控制磨损平衡，需添加扇区头结构，对扇区进行标识，要做到既可以在启动时选择到正确的扇区，又可以识别出破坏的扇区。

2.4 断电数据恢复

当写扇区头或者写文件时，如果掉电，那么本次的数据需在启动时识别出来，并可以恢复到增量写入时上个文件完整的数据。本次项目未考虑数据恢复的问题，只识别出了是否发生了损坏，损坏会全部擦除，上位机重新下发文件。

3. 扇区头部结构

考虑到自己项目中文件较小，且写入频次较低，项目设计并没采用类似easyFlash库那样对所有扇区进行平衡写入。为了加快搜索，项目中对文件索引单独存储一个扇区，同时结合另一个相同大小的扇区进行写满后换扇区写入。同样，文件数据也采用两个扇区进行交替写入。
不管哪个扇区，考虑到擦除中断电导致扇区被破坏，每个扇区的头部添加如下结构：

typedef struct tagSectorHeader{
    uint32_t u32Magic; //魔术字，0x12345678
    uint32_t u32SectorStatus; //扇区的状态 
}TSectorHeader;
//扇区的状态
#define SECTOR_STATUS_INIT 0xFFFFFFFF   //未使用
#define SECTOR_STATUS_USED 0x00FFFFFF   //已使用，写完数据后设置该装填
#define SECTOR_STATUS_ERASE 0x0000FFFF  //擦除中，先搬运数据，搬运完毕后擦除扇区，变为未使用

这里使用了Flash中的一个小技巧，对同一个地址，写4字节数据时，可以多次写入，但必须按照先写0x00FFFFFF再写0x0000FFFF这种方式进行写入，只要之前是FF位置的数据就可以写入。

判定扇区是否损坏：

uint32_t isBadSector(TSectorHeader *pHdr)
{
    // 魔术字无效且不是初始值 或 魔术字是初始值但扇区状态不是初始值
    if (pHdr->u32Magic != SECTOR_MAGIC_NUM && pHdr->u32Magic != 0xFFFFFFFF 
        || pHdr->u32Magic == 0xFFFFFFFF && pHdr->u32SectorStatus != SECTOR_STATUS_INIT)
    {
        return 1; // 扇区损坏
    }

    return 0;
}

第一次写扇区头：

int32_t writeNewSectorHdr(uint32_t u32SectorAddr)
{
    // 标记新扇区 - 使用状态
    if (writeSectorStatus(u32SectorAddr + offsetof(TSectorHeader, u32SectorStatus), SECTOR_STATUS_USED) != 0)
    {
        return -1;
    }
    // 标记新扇区 - 魔术字
    uint32_t u32Magic = SECTOR_MAGIC_NUM;
    if (AflFlashWriteWords(u32SectorAddr + offsetof(TSectorHeader, u32Magic), &u32Magic, 1) != 0)
    {
        return -1;
    }

    return 0;
}

更改扇区状态：

int32_t writeSectorStatus(uint32_t u32StatusStartAddr, SECTOR_STATUS_DEFINE statusNow)
{
    int32_t iRet = 0;
    FILEINDEX_STATUS_DEFINE statusLast; // 注意状态写入必须按状态定义的顺序进行写入！
    AflFlashReadWords(u32StatusStartAddr, &statusLast, 1);
    if (statusNow == SECTOR_STATUS_USED)
    {
        if (statusLast != SECTOR_STATUS_INIT)
        {
            ASSERT(1, "last sector status err!");  
            return -1;
        }
    }
    else if (statusNow == SECTOR_STATUS_ERASE)
    {
         if (statusLast != SECTOR_STATUS_USED)
        {
            ASSERT(1, "last sector status err!");
            return -1;
        }
    }
    else
    {
    }

    iRet = AflFlashWriteWords(u32StatusStartAddr, &statusNow, 1);

    return iRet;
}

4. 文件索引结构

//文件索引的操作状态
#define FILEINDEX_STATUS_INIT 0xFFFFFFFF         //未使用
#define FILEINDEX_STATUS_PRE_WRITE 0x00FFFFFF    //准备写入
#define FILEINDEX_STATUS_FIN_WRITE 0x0000FFFF    //已写入 写入索引结构数据即更新，文件数据靠CRC校验
#define FILEINDEX_STATUS_FIN_DEL 0x000000FF      //已删除
//#define FILEINDEX_STATUS_PRE_DEL 0x000000FF    //准备删除 该操作可以用来恢复上次的数据，本次设计无需恢复数据
//文件索引信息
typedef struct tagFileIndex
{
    uint32_t u32DataStatus;      // 操作状态
    uint32_t u32IndexAddr;       // 该索引在扇区中的起始地址
    uint32_t u32DataAddr;        // 该文件在Flash中的起始地址
    uint32_t u32DataLen;         // 数据块的长度
    uint16_t u16FileCRC;         // 数据校验值
    uint16_t u16AlignReserved;   // 对齐保留
    // 其他数据
}TFileIndex;

写索引时，先写状态为准备写入，然后写结构体字段，写完后再修改状态为写入完成。
比如写一个文件，会先写索引结构，再写文件内容，索引结构中添加状态字段来进行控制，文件内容没写完掉电，可通过检查索引结构中的文件长度、CRC来对文件内容进行校验。

写索引数据：

// 写索引数据，状态无需传入，内部控制
int32_t writeFileIndexToFlash(uint32_t u32CopyToAddr, TFileIndex *ptfileIndex)
{
    int32_t iRet = 0;
    do
    {
        // 先写状态为【准备写入】
        iRet = writeFileIndexStatus(u32CopyToAddr + offsetof(TFileIndex, u32DataStatus), FILEINDEX_STATUS_PRE_WRITE);
        if (iRet != 0)
            break;

        //写索引地址
        iRet = AflFlashWriteWords(u32CopyToAddr + offsetof(TFileIndex, u32IndexAddr), &u32CopyToAddr, 1);
        if (iRet != 0)
            break;

        // 写剩余的其他所有数据
        iRet = AflFlashWriteWords(u32CopyToAddr + offsetof(TFileIndex, u32DataAddr), 
                (uint32_t *)&ptfileIndex->u32DataAddr, (sizeof(TFileIndex) - offsetof(TFileIndex, u32DataAddr))/4);
        if (iRet != 0)
            break;

        // 最后，写状态为【已写入】
        iRet = writeFileIndexStatus(u32CopyToAddr + offsetof(TFileIndex, u32DataStatus), FILEINDEX_STATUS_FIN_WRITE);
        if (iRet != 0)
            break;

        ptfileIndex->u32DataStatus = FILEINDEX_STATUS_FIN_WRITE;
        ptfileIndex->u32IndexAddr = u32CopyToAddr;

    } while (0);

    if (iRet != 0)
    {
        DEBUG(DEBUG_ERROR, ("writeFileIndexToFlash Error!!"));
    }

    return iRet;
}

写文件数据（略），过程就是先写索引，再写数据，最后检查写入的文件CRC是否正确。

5. 总结

以上是状态控制的核心代码，其他和写文件数据内容相关、扇区切换相关略去了，以后有机会可以写个通用的、小型的模块。
数据恢复的思路如下，本次检查到非法数据，直接擦了：

当写入新的结构时（注意这个结构必须具备唯一标识符），需将旧的结构标记为准备删除，然后写新的结构，当新结构数据写完后，会将旧的结构数据再标记为已删除。这样初始化时扫描所有数据，如果同一个标识符的结构，一个状态为准备删除，一个为准备写入，此时认为数据未拷贝完，可以将准备写入改为已删除，废掉这个数据，重新拷贝一个新的，此时即使再次掉电也没问题。如果同一个标识符的结构，一个状态为准备删除，一个为写入完成，此时认为数据已经拷贝完，将准备删除改为已删除即可。

6. 调试中问题

使用ST-Link单步调试读写flash代码，可能会出现写失败，甚至数据被篡改，改为J-Link解决该问题。