Flash磨损均衡算法(Erase Leveling)#

以STM32内部Flash为例进行说明，STM32内部Flash的写寿命大约是1万次，假如我们在其Flash中存储数据，每天100次写操作，100天后Flash就无法继续可靠使用了， 本文采取了一种非常简单的方法，将Flash的使用寿命延长了1024倍（仅限本文试验环境下）。

1. 设计思路#

本实验以一页Flash的操作为例。我们按照特定格式将数据一条一条的写进Flash，在写入新的数据前将旧数据清零， 保证Flash中有效数据的唯一性，直到本页写满后，才将本页擦除，故极大的延长了Flash的使用寿命。

  • 芯片：STM32F103ZET6
  • 软件：STM32CubeHAL
  • Flash Page Size：2K
  • 使用Flash的一页Page60(0x0801E000 ~ 0x0801E800(不包含))进行磨损均衡算法试验

  • 数据帧格式：|0x5A|data1|data2|0xA5|

  • 本实验Flash存储模型如下：

flash_erase_leveling

  • 首先将Page60擦除，擦除后Page60页中的数据全为1。
  • 每次写入数据时，会顺次寻找数值FF（未写入数据的），找到后写入数据，同时将先前的有效数据置为0，若未找到FF，则表明数据已写满，将擦除整页，从头开始写
  • 每次读出数据时，会顺次寻找数值5A（有效数据），然后读出4个字节，若未找到数值5A，则返回错误码0

2. 实现代码#

一共有3个文件，flash_wear_leveling.h、flash_wear_leveling.c和example.c，flash_wear_leveling.h和flash_wear_leveling.c是 磨损均衡算法的实现，example.c是使用举例。

直接访问我的Gist获取最新代码

  • flash_wear_leveling.h
#ifndef __FLASH_H__
#define __FLASH_H__

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define FLASH_START_ADDRESS 0x0801E000
#define PAGE_SIZE               (uint32_t)FLASH_PAGE_SIZE  /* Page size */

#define WT_GET_NEW_ADDR (1<<0)
#define WT_GET_USED_ADDR (1<<1)

typedef union
{
    uint8_t buff[4];
    uint32_t data;
}flash_pack_u;


typedef struct
{
    uint32_t flash_start_address;
    uint32_t current_addr;
    uint32_t new_addr;
    uint16_t page_size;
    flash_pack_u buff;
}flasher_t;

typedef union
{
    uint8_t data[2];
    uint16_t data16;
}writer_u;

void flash_init(void);
void easer_flash(void);
void find_new_entry(void);
uint32_t find_used_entry(void);
void write_word_to_flash(writer_u writer);

#endif
  • flash_wear_leveling.c

#include <drv_flash.h>
extern void FLASH_PageErase(uint32_t PageAddress);

static flasher_t flasher;

void flash_init(void)
{
    flasher.flash_start_address = FLASH_START_ADDRESS;
    flasher.page_size = FLASH_PAGE_SIZE;
    flasher.current_addr = FLASH_START_ADDRESS;
}

void easer_flash(void)
{
    /* -1- Unlock the Flash Bank Program Erase controller */
      HAL_FLASH_Unlock();

      /* -2- Clear All pending flags */
      __HAL_FLASH_CLEAR_FLAG(FLASH_FLAG_EOP | FLASH_FLAG_WRPERR | FLASH_FLAG_PGERR);

      /* -3- erase the FLASH pages */
      FLASH_PageErase(FLASH_START_ADDRESS);
      FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_TIMEOUT_VALUE);
      CLEAR_BIT(FLASH->CR, FLASH_CR_PER);

      /* -5- Lock the Flash Bank Program Erase controller */
      HAL_FLASH_Lock();
}


void find_new_entry(void)
{
    while(flasher.current_addr < flasher.flash_start_address+flasher.page_size)
    {
        flasher.buff.data = read_word_from_flash(flasher.current_addr);
        if(flasher.buff.buff[0] == 0xFF)
        {
            flasher.new_addr = flasher.current_addr;
            return;
        }

        flasher.current_addr += 4;
    }

    if(flasher.current_addr >= flasher.flash_start_address+flasher.page_size)
    {
        easer_flash();
        flasher.current_addr = flasher.flash_start_address;
        flasher.new_addr = flasher.flash_start_address;
    }
}

uint32_t find_used_entry(void)
{
    while(flasher.current_addr < flasher.flash_start_address+flasher.page_size)
    {
        flasher.buff.data = read_word_from_flash(flasher.current_addr);
        if(flasher.buff.buff[0] == 0x5A)
        {
            return flasher.buff.data;
        }

        flasher.current_addr += 4;
    }
    return 0;
}

void write_word_to_flash(writer_u writer)
{
    flash_pack_u buf;
    buf.buff[0] = 0x5A;
    buf.buff[1] = writer.data[0];
    buf.buff[2] = writer.data[1];
    buf.buff[3] = 0xA5;

    find_new_entry();

    HAL_FLASH_Unlock();

    if(flasher.new_addr-4 >= flasher.flash_start_address)
    {
        HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,flasher.new_addr-4,0x00);
    }
    HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,flasher.new_addr,buf.data);

    HAL_FLASH_Lock();
}
  • example.c

/*
 * 首先确保你要操作的的Flash区域是刚擦除过的(全为1)，为实现这个目的，你可以只调用easer_flash()函数，将特定的flash page擦除，
 * 当然你需要先调用flash_init()函数设置flash page的首地址
 * 数据帧格式为 |0x5A | data1 | data2 | 0xA5|
 * 每次写入数据时，会顺次寻找数值FF（未写入数据的），找到后写入数据，同时将先前的有效数据置为0，若未找到FF，则表明数据已写满，将擦除整页，从头开始写
 * 每次读出数据时，会顺次寻找数值5A（有效数据），然后读出4个字节，若未找到数值5A，则返回错误码0
 * 
 */

int main()
{
  // write data into flash
  writer_u writer;
  writer.data[0] = 0x11;
  writer.data[1] = 0x22;
  write_word_to_flash(writer);

  // then read it from flash and print it
  flash_pack_u flash_pack;
  flash_pack.data = find_used_entry();
  usart1_printf("%x  %x\n",flash_pack.buff[1]);
  usart1_printf("%x  %x\n",flash_pack.buff[2]);
}