MCU驱动Flash读写数据的常见陷阱

今天，就让我们一起揭开MCU驱动Flash读写背后的技术陷阱，这些经验教训都来自于真实项目的血泪史。

在深入探讨陷阱之前，我们先来了解Flash存储器的基本特性。Flash分为NOR Flash和NAND Flash两种，MCU中通常使用NOR Flash，因为它支持随机读取，适合存储程序代码。Flash的典型操作包括：

• 读取：可以按字节或任意大小读取数据，速度较快。
• 写入：只能将1改为0，且通常需要先擦除目标区域。
• 擦除：将整个扇区或块置为全1（0xFF），耗时较长。

与EEPROM相比，Flash的存储密度更高、成本更低，但擦写速度较慢，且不支持字节级擦除。这些特性决定了Flash操作的复杂性，也为开发者埋下了诸多陷阱。

以下是Flash存储器的典型结构：

1、Flash不是RAM，理解其本质才能避坑

Flash存储器在写入数据前必须先擦除目标扇区，因为Flash只能将1改为0，无法直接将0改为1。如果开发者直接尝试写入数据而未擦除扇区，写入操作要么失败，要么导致数据错误。例如，在STM32 MCU中，尝试向未擦除的Flash写入数据会导致编程错误。

在写入前，检查目标扇区是否为全1（0xFF）。可以使用读取操作验证。即使只修改1字节，也必须擦除整个扇区。

HAL_FLASH_Unlock(); // 解锁Flash
FLASH_EraseInitTypeDef EraseInitStruct;
EraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;
EraseInitStruct.Sector = FLASH_SECTOR_5; // 指定扇区
EraseInitStruct.NbSectors = 1; // 擦除1个扇区
uint32_t SectorError;
HAL_FLASHEx_Erase(&EraseInitStruct, &SectorError); // 执行擦除
HAL_FLASH_Lock(); // 锁定Flash

2、时序管理不当

Flash的擦除和写入操作耗时较长（擦除可能需要几毫秒，写入每字节约50µs）。如果开发者未等待操作完成就进行后续操作，可能导致数据不完整或程序错误。

所以操作完成后可以使用状态寄存器或标志位检查操作是否完成。

3、读写冲突

在某些MCU中，Flash在写入或擦除期间无法同时读取。如果程序尝试在Flash操作期间从Flash读取代码或数据，可能会引发总线错误或硬故障。

为了避免这种情况，可以在Flash操作期间禁用中断，确保处理器不访问Flash。

4、误解代码执行方式

许多开发者误以为MCU程序会从Flash复制到RAM执行。实际上，大多数MCU直接从Flash执行代码，只有在特定高性能场景下才将代码复制到RAM。这种误解可能导致错误的内存分配或性能优化策略。

5、错误分配内存

在定义变量时，如果未明确指定存储位置，编译器可能默认将变量分配到RAM中。但对于需要掉电保存的数据，应存储在Flash中。反之，将大段代码或数据错误分配到Flash可能导致性能下降。

所以要合理规划内存分配，避免RAM溢出或Flash空间浪费。

6、忽略擦写次数限制

Flash存储器的擦写次数有限，通常为10,000至100,000次/扇区。频繁写入同一扇区可能导致存储器失效。例如，在存储频繁更新的参数时，可能很快耗尽擦写寿命。解决方案如下：

• 减少不必要的Flash写入，使用RAM缓存数据，仅在必要时写入Flash。
• 实现磨损均衡，通过轮换使用多个扇区分散擦写次数。在同一扇区内轮流写入多份数据，待存满后再统一擦除，可实现寿命提升。
• 选择耐久性更高的存储器（如EEPROM）用于高频写入场景。

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7、缺乏数据验证

写入Flash后，未验证数据是否正确写入，可能在使用时发现数据错误。例如，STM32社区曾报告因未验证Flash内容导致读取错误数据的问题。

最简单的办法是写入后读取数据，比较是否一致。例如使用校验和或CRC验证数据完整性。

Flash 是 MCU 上最珍贵的“非易失存储”资源，其特性决定了操作细节万万不可掉以轻心。务必严格参照数据手册、采用完善的擦写流程、做好磨损均衡与中断管理，才能确保系统可靠运行，延长产品寿命。