Flash模拟EEPROM原理浅析

        根据ST的手册，我们可以看到，外挂EEPROM和Dflash模拟EEPROM，区别如下：

        很明显，模拟EEprom的写入速度要远远快于外挂eeprom(有数据传输机制)；

        其次，外挂EEPROM不需要擦除即可实现写入数据；而模拟EEProm需要写之前擦除，由于Flash编程和擦除操作是相当长的时间，电源故障和其他可能中断擦除过程的异常事件(如重置)需要在设计Flash内存管理软件时考虑。

1.模拟EEPROM实现原理

        模拟EEPROM需要考虑产品要求和Flash IP特性；ST提出了一种方法，需要NVM中两组Flash page。

        第一组page在最初已经被擦除了，用于存储新的数据，Flash编程操作按照地址递增进行；一旦第一组page被数据填充满，该page就需要进行数据垃圾回收（即擦除）；

        第二组page仅用于收集第一组page中的有效数据，并且剩余的区域可以用于存储新的数据；一旦第一组的有效数据传给了第二组，第一组page就可以被擦除了。

        注意，每一组page都可以由多个flash page构成。每个page的前32byte(64byte)用于存储当前page状态；状态共有5种，如下：

状态	描述	备注
ERASED	该page为空，没有存储数据
RECEIVE	当前page从其他已满的page中接收数据
ACTIVE	当前page用于存储新数据
VALID	Page已满；该状态会一直持续到有效数据传递给接收page完成
ERASING	有效数据已经传完，当前page准备擦除

以下图为例，

        初始时刻，第一组page中page0，page1状态分别为ACTIVE(没有满，可以继续存储新数据)，ERASED(空状态)，第二组page中page2、3为ERASED；

        当写入一个完整page+1大小数据时，Page0状态变为VALID(已经满了，该写page1了)，page状态变为ACTIVE，为什么page0状态没有变为ERASING？原因在于第一组page还没有满，相当于逻辑的page没有满（用户可见），实际的page满了（flash的物理page存满了）；因为第一组page没有满，所以第二组page还是ERASED状态；

        当page1也写满时，第一组page全部写满，那么此时第二组page中的page2状态变为RECEIVE(正在接收有效数据)（这里有效数据如何定义），数据是按flash地址排列，因此最开始page3状态不变（因为page2还没有写满）；

        如果有效数据超过1个page（物理），那么page2状态会变为VALID，page3变为ACTIVE；

        当擦除完成后，软件得到flash 擦除完成标志位，第一组page状态均变为ERASED。

上图为状态迁移流程图。

2.Page和存储数据格式

        根据STM32描述，大部分的最小写入位宽为64bit(128bit for STM32U5)，且因为表示状态的HEADER为4个double words(32bytes=4*8byte )（STM为8个word），因此如果一个芯片物理page大小为2K，那么可以写入252个元素(252*8 = 2*1024 - 32)数据，相当于一个元素就占用了8个byte，为什么要这样设计？参见下文的CRC

        Page状态通过如下格式来定义（以4个word为例）

状态
ERASED	0x FFFF FFFF FFFF FFFF
RECEIVE	0x xxxx FFFF FFFF FFFF
ACTIVE	0x FFFF yyyy FFFF FFFF
VALID	0x FFFF FFFF zzzz  FFFF
ERASING	0x FFFF FFFF FFFF aaaa

        每个变量元素都由一个虚拟地址和一个存储在Flash中的数据值定义，以供后续检索或更新。在实际使用中，有可能虚拟地址为16bit，数据长度8bit、16bit或者32bit。当数据被修改时，与同一虚拟地址相关联的修改后的数据被存储在一个新的flash位置中。数据检索返回最新的数据值。数据格式如下：

3.Demo

现有如下变量需要存储到flash中，

        很明显，现只需要两个page即可完成模拟。

        数据读访问是从ACTIVE或者VALID page从高地址向低地址开始读取。

        如果数据是在给定的虚拟地址上最新写入的数据，并且使用CRC的完整性检查通过，则认为数据有效。还要注意，在数据传输机制中只复制有效数据。

4.数据粒度管理

        需要存储到模拟EEPROM的数据通常应用需求决定，例如传感器、通信接口数据；

        常见的数据粒度有：byte、half-word、word。

        这里可以思考Fee如何实现数据空间位置优化？

5.磨损均衡算法和Flash page 分配

        磨损均衡算法监控以及平均分配了flash page写和擦除操作的使用频率；

        没有磨损均衡算法之前，page使用频率不会相同；例如有些数据会经常更新（例如DTC），而一些数据则不会频繁更新（例如VIN码等），很明显、存DTC的Flash会经常擦写、而存VIN这些DID的会很久或者几乎不会修改。那么磨损均衡算法就是来解决这种矛盾，保证flash所有page的所有可用擦写次数都得到利用。

        所有在3Demo章节中，采用了按照地址递增的方式进行数据存储，不管用户存的变量是什么，当一个page满了之后，再保存有效数据到下个page，擦除当前页；

        可以这么理解，现在要存3个DTC和1个DID，磨损均衡算法都首先用active的page进行存储，DID存放之后不怎么变化，但是DTC每次上下电都有可能存储，因此会继续沿着当前page地址递增存储DTC，直到该page存满。

        磨损均衡算法提高模拟EEPROM使用寿命，

        在知道了模拟EEPROM的要求大小和目标使用次数，就有可能计算出用于该目的的Flash大小。

6.计算所需要的模拟EEPROM内存空间大小

        那么如何计算，参考如下公式

        假设现在要存放4000个独立byte，已知当前flash endurance = 10kcycles，目标为100kcycle，每一个page可以存储252个8byte的元素；

        故需要4000/252≈16个page；因此一组page个数为32，再加上需要100kcycle的耐久度，所以还需要乘以10，故总共需要的size为32*10=320个page；

        注：这里的page为实际的物理sector。

        如果是按CS的DFLASH来算，一个sector（page）=1K。一个page可以存124个元素；故存4000个独立byte，需要4000/124 = 33个sector，那么要实现模拟EEPROM，就至少需要66*10=660个sector；我们的DFLASH大小明显不符合要求；故需要重新设计存储数据格式。