STM32F4系列用Flash模拟Eeprom.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.03M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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1 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的主要差异

表 1. 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的差异

1.1 写访问时间上的差异

1.2 擦除时间上的差异

1.3 写方法上的相似之处

2 实现 EEPROM 仿真

2.1 原理

图 1. 在 page0 与 page1 之间切换的头状态

表 2. 仿真页可能的状态和相应操作

表 3. STM32F40x/STM32F41x Flash 扇区

图 2. EEPROM 变量格式

2.2 使用实例：应用示例

图 3. 数据更新流程

2.3 EEPROM 仿真软件说明

表 4. API 定义

图 4. WriteVariable 流程图

2.4 EEPROM 仿真内存占用量

表 5. EEPROM 仿真机制的内存占用量

图 5. EEPROM 仿真的 Flash 占用情况（机制和存储）

2.5 EEPROM 仿真时间

表 6. 系统时钟为 168 MHz 的 EEPROM 仿真时间

3 嵌入式应用的相关信息

3.1 数据粒度管理

表 7. Flash 编程函数

3.2 耗损均衡：增加 Flash 可擦写次数

3.2.1 耗损均衡实现示例

图 6. 四页的页交换机制（耗损均衡）

3.3 断电时的页头恢复

3.4 循环性能和页分配

3.4.1 循环性能

3.4.2 Flash 页分配

表 8. 应用设计

3.5 实时注意事项

4 版本历史

表 9. 文档版本历史

AN3969 应用笔记 STM32F40x/STM32F41x 微控制器中的 EEPROM 仿真简介在工业应用中经常使用 EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）来存储可更新的数据。 EEPROM 是用在复杂系统（例如计算机）和其它电子器件中的一种永久（非易失）存储器存储系统，它可以在电源故障时存储和保留少量数据。为降低成本，外部 EEPROM 可以用 STM32F40x/STM32F41x 的以下功能之一替代： ● 片内 4 KB 备份 SRAM ● 片内 Flash，具有特定软件算法 STM32F40x/STM32F41x 具有 4 KB 备份 SRAM，当主 VDD 电源断电时，可通过 VBAT 电源为该 SRAM 供电。借助 CPU 频率下的高速访问（通常在用电池供电的应用中）优势，只要 VBAT 存在，此备份 SRAM 就可以用作内部 EEPROM（不带任何附加软件）。但是，当备份 SRAM 用于其它目的并且/或者应用不使用 VBAT 电源时，片内 Flash（具有特定软件算法）可以用于仿真 EEPROM 存储器。本应用笔记介绍了使用 STM32F40x/STM32F41x 器件的片上 Flash 通过仿真 EEPROM 机制来取代独立 EEPROM 的软件解决方案。要实现这种仿真，至少要使用 Flash 中的两个扇区。EEPROM 仿真代码会在扇区填满后，以对用户透明的方式交换数据。此应用笔记随附的 EEPROM 仿真驱动程序满足以下要求： ● 提供简单 API 的轻量级实现，这种 API 由初始化、读写数据和降低存储器占用量三种功能构成。 ● 简单且可轻松更新的代码模型 ● 对用户透明的清除和内部数据管理 ● 后台扇区擦除 ● 至少使用两个 Flash 扇区，如果需要进行耗损均衡，则需要更多要仿真的 EEPROM 大小可在扇区大小的限制范围内随意调整，并允许 EEPROM 使用扇区的最大空间。 2011 年 10 月文档 ID 022108 第 1 版 1/20 www.st.com

目录目录 1 2 3 AN3969 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的主要差异 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1 写访问时间上的差异 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 擦除时间上的差异 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 写方法上的相似之处 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 实现 EEPROM 仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 使用实例：应用示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 EEPROM 仿真软件说明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 EEPROM 仿真内存占用量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4 2.5 EEPROM 仿真时间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.1 嵌入式应用的相关信息 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1 数据粒度管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 耗损均衡：增加 Flash 可擦写次数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 耗损均衡实现示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 断电时的页头恢复 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 循环性能和页分配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 循环性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Flash 页分配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 实时注意事项 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.4.1 3.4.2 4 版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2//20 文档 ID 022108 第 1 版

AN3969 表格索引表格索引表 1. 表 2. 表 3. 表 4. 表 5. 表 6. 表 7. 表 8. 表 9. 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的差异. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 仿真页可能的状态和相应操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 STM32F40x/STM32F41x Flash 扇区 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 API 定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 EEPROM 仿真机制的内存占用量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 系统时钟为 168 MHz 的 EEPROM 仿真时间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Flash 编程函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 应用设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 文档版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 文档 ID 022108 第 1 版 3/20 3

图片索引图片索引 AN3969 图 1. 图 2. 图 3. 图 4. 图 5. 图 6. 在 page0 与 page1 之间切换的头状态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 EEPROM 变量格式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 数据更新流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 WriteVariable 流程图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 EEPROM 仿真的 Flash 占用情况（机制和存储） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 四页的页交换机制（耗损均衡） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4/20 文档 ID 022108 第 1 版

AN3969 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的主要差异 1 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的主要差异 EEPROM 是许多需要非易失性数据存储的嵌入式应用的关键组件，它在运行期间以字节或字为粒度。这些系统中使用的微控制器通常是基于嵌入式 Flash 存储器的。为了避免使用这些组件、节约 PCB 空间并降低系统成本，可使用 STM32F41x Flash 代替外部 EEPOM，模拟代码和数据的存储。但是与 Flash 不同的是，外部 EEPROM 在重写数据之前并不需要执行擦除操作来释放空间。要将数据存储到嵌入式 Flash 中，需要执行特殊的软件管理。这种仿真软件机制由许多因素决定，包括 EEPROM 可靠性、所使用的 Flash 的架构以及产品要求等。对于使用相同 Flash 技术的任何微控制器（不局限于 STM32F40x/STM32F41x 系列产品），嵌入式 Flash 和外部串行 EEPROM 之间的主要差异完全一致。表 1 中汇总了这些主要差异。表 1. 外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的差异特性写时间外部 EEPROM （例如，M24C64： I²C 串行访问 EEPROM） — 5 ms 内的随机字节写入。字编程时间 = 20 ms — 5 ms 内的页（32 字节）写入。字编程时间 = 625 μs 擦除时间 N/A 写方法 — 启动之后即与 CPU 无关 — 只需要正确供电读访问 — 串行：100 μs — 随机字：92 μs — 页：每字节 22.5 μs 写/ 擦除循环次数 100 万次写循环使用片上 Flash 仿真的 EEPROM 使用片上备份 SRAM 仿真的 EEPROM(1) 半字编程时间：30 μs 到 237.25 ms (2) CPU 速度，0 等待周期扇区（大页面）擦除时间：1 s 到 3 s（取决于扇区大小） NA 启动之后即与 CPU 相关。如果写操作因软件复位而中断， EEPROM 仿真算法会停止，但是当前的 Flash 写操作不会因 CPU 复位而中断。可以按字节（8 位）、半字（16 位）或全字（32 位）形式进行访问。可以按字节（8 位）、半字（16 位）或全字（32 位）形式进行访问。软件复位会中断写操作。并行：(@168 MHz) 半字访问时间为 0.68 μs 到 251 μs (2) CPU 速度，1 等待周期每扇区（大页面）1 万次循环。使用多个片上 Flash 页等同于增加写循环次数。请参见第 3.4 节：循环性能和页分配。只要存在 VBAT，就没有限制 1. 有关备份 SRAM 用法的详细信息，请参见 STM32F40x/41x 参考手册 (RM0090) 的“电池备份域”部分。 2. 有关更多详细信息，请参见第 2.5 章： EEPROM 仿真时间。文档 ID 022108 第 1 版 5/20 19

外部 EEPROM 与仿真 EEPROM 之间的主要差异 AN3969 1.1 写访问时间上的差异由于 Flash 的写访问时间较短，所以对于一些关键参数，在仿真 EEPROM 中的存储速度要比在外部串行 EEPROM 中更快，从而可以改善数据存储。 1.2 擦除时间上的差异注： 1.3 擦除时间方面的差异是独立 EEPROM 与使用嵌入式 Flash 的仿真 EEPROM 之间的另一个重大差异。与 Flash 不同，EEPROM 在写之前不需要执行擦除操作来释放空间。这就意味着必须执行某种形式的软件管理，才能将数据存储到 Flash 中。此外，由于 Flash 中的块擦除过程需要较长时间，所以在设计 Flash 管理软件时，应注意考虑可能会中断擦除过程的电源关闭和其它一些意外事件（例如复位）。要设计强大的 Flash 内存管理软件，必须透彻了解 Flash 擦除过程。即使 CPU 复位，也不会中断正在对 STM32F40x/STM32F41x 嵌入式 Flash 执行的扇区擦除或批量擦除操作。写方法上的相似之处外部 EEPROM 与具有 STM32F40x/STM32F41x 嵌入式 Flash 的仿真 EEPROM 之间的一个相似之处是写方法。 ● 独立外部 EEPROM：一旦 CPU 启动后，字的写操作便不能被 CPU 复位中断。只有供电故障才会中断写过程，因此正确设置去耦电容的大小可以保护独立 EEPROM 中的整个写过程。 ● 使用嵌入式 Flash 仿真的 EEPROM：由 CPU 启动后，写过程可由电源故障中断。即使 CPU 复位，也不会中断正在对 STM32F40x/STM32F41x 嵌入式 Flash 执行的字写入操作。EEPROM 算法会停止，但是当前的 Flash 字写入操作不会因 CPU 复位中断。 6/20 文档 ID 022108 第 1 版

AN3969 实现 EEPROM 仿真 2 实现 EEPROM 仿真 2.1 原理 EEPROM 仿真可以通过多种方式实现，但要注意 Flash 限制和产品要求。下面详述的方法要求为非易失性数据分配至少两个相同大小的 Flash 扇区：一个在开始时擦除，支持逐字编程；另一个在需要对前一扇区执行垃圾回收时接管工作。占用每扇区前半个字（16 位）的头字段指示扇区的状态。在本文档的其余部分，将每一个扇区视为一页，这些页分别称为 Page0 和 Page1。头字段位于每页的基准地址上，并提供该页的状态信息。每个页都有三个可能的状态： ● ● ● ERASED：页为空。 RECEIVE_DATA：页正在从另一个满页接收数据。 VALID_PAGE：页中包含有效数据，并且在将所有有效数据完全传输到已擦除页之前，此状态不会改变。图 1 显示页的状态如何改变。图 1. 在 page0 与 page1 之间切换的头状态文档 ID 022108 第 1 版 7/20 19

实现 EEPROM 仿真 AN3969 表 2. 仿真页可能的状态和相应操作 Page1 ERASED 无效状态 ERASED 操作：将两个页擦除并将 page0 格式化 RECEIVE_DATA 操作：擦除 Page0 并将 Page1 标记为 VALID_PAGE VALID_PAGE 操作：将 page1 用作有效页并擦除 page0 Page0 RECEIVE_DATA VALID_PAGE 操作：将 Page1 擦除并将 Page0 标记为 VALID_PAGE 操作：将 page0 用作有效页并擦除 page1 无效状态操作：将两个页擦除并将 page0 格式化操作：将 page1 用作有效页并将上次更新的变量从 page1 传送到 page0，同时将 page0 标记为有效页并擦除 page1 操作：将 page0 用作有效页并将上次更新的变量从 page0 传送到 page1，同时将 page1 标记为有效页并擦除 page0 无效状态操作：将两个页擦除并将 page0 格式化通常，使用这种方法时，用户事先并不了解变量更新频率。本文档所述的软件和实现方法使用两个大小为 16 KB 的 Flash 扇区（扇区 2 和扇区 3）来仿真 EEPROM。注：由于扇区 2 和扇区 3 的大小比 STM32F40x/STM32F41x Flash 的其它扇区小，因此我们选择这两个扇区（表 3：STM32F40x/STM32F41x Flash 扇区中介绍了 STM32F40x/STM32F41x Flash 的主存储器块划分）。根据具体应用和用户需要，可以选择更大的扇区。表 3. STM32F40x/STM32F41x Flash 扇区名称扇区 0 到扇区 3 扇区 4 扇区 5 到扇区 11 扇区大小 16 KB 64 KB 128 KB 每个变量元素都由一个虚拟地址和值来定义，它们将存储在 Flash 中，用于执行后续检索或更新（在实施的软件中，虚拟地址和数据的长度均为 16 位）。如果修改了数据，与之前虚拟地址相关联的已修改数据将会存储到新的 Flash 位置。数据检索会返回最新的数据值。 8/20 文档 ID 022108 第 1 版

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