單片機(jī)系統(tǒng)中如何擴(kuò)展Flash存儲器？

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟

  x7 i! C% I, O* A點(diǎn)擊上方藍(lán)色字體，關(guān)注我們
擴(kuò)展單片機(jī)（MCU）系統(tǒng)中的Flash存儲器，實(shí)際上是在原有存儲資源不足時(shí)，借助外部存儲器來提升系統(tǒng)存儲容量。
' W% g' f1 e) m; b, Z) r$ b

0 P0 R) z, u  @3 A" i, ]這個(gè)需求在很多嵌入式應(yīng)用中都非常常見，尤其是當(dāng)系統(tǒng)需要存儲大量數(shù)據(jù)、程序代碼或日志等時(shí)，單片機(jī)自帶的Flash存儲往往難以滿足需求。
) i4 R' G8 G' ^1 x. h9 U
擴(kuò)展Flash存儲器的應(yīng)用場景非常廣泛：
" t' Y' A3 N9 h# U, {

固件更新：在一些需要頻繁固件更新的嵌入式設(shè)備中，通過外部Flash存儲器可以存儲多個(gè)固件版本，方便實(shí)現(xiàn)程序的遠(yuǎn)程更新。

數(shù)據(jù)采集和日志存儲：許多嵌入式設(shè)備，如傳感器節(jié)點(diǎn)、智能家居設(shè)備等，會(huì)采集大量的數(shù)據(jù)并存儲到外部存儲器中。在這種情況下，擴(kuò)展Flash存儲可以提供足夠的空間，保證數(shù)據(jù)的長期保存。

多媒體數(shù)據(jù)存儲：對于需要存儲圖片、音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的設(shè)備，外部存儲器的擴(kuò)展顯得尤為重要。SD卡、eMMC等存儲器常常被用于這種場景。

程序分離：在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，程序代碼和數(shù)據(jù)需要分開存儲。通過將程序代碼存儲在主存儲器中，將數(shù)據(jù)存儲在外部Flash中，可以有效管理資源，并且通過優(yōu)化程序代碼訪問方式提高系統(tǒng)效率。
6 S( v- d4 p9 v3 T# U5 o' u0 M
9 r- s$ [0 V8 Z0 d6 l7 O7 j8 R1
! [" u6 e; D- d1 M  ^5 v( s! G$ @選擇合適的外部Flash存儲器
4 M7 _3 @: G1 U9 q2 s; X首先，擴(kuò)展存儲器的首要步驟是選擇合適的外部Flash存儲器。
2 I; @4 V( `! o* _3 z, d
' J( e. k) X* x根據(jù)需求的不同，通�？梢赃x擇SPI Flash、QSPI Flash或者SD卡等外部存儲介質(zhì)。

SPI Flash：SPI Flash廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，主要因?yàn)槠浜唵我子们页杀据^低。它通過SPI接口與單片機(jī)連接，傳輸速率相對較慢，但對于大多數(shù)應(yīng)用來說是足夠的。通過芯片選擇適當(dāng)?shù)拇鎯θ萘浚�可以有效擴(kuò)展單片機(jī)的存儲空間。

QSPI Flash：相比于SPI Flash，QSPI（Quad SPI）Flash可以提供更高的傳輸速率，因?yàn)樗�利用了四個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)表現(xiàn)更為出色。對于需要較高帶寬的應(yīng)用，QSPI Flash是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

SD卡：如果需求更高，特別是需要更大存儲容量或進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲時(shí)，SD卡是一個(gè)常用選擇。SD卡不僅容量大，且支持FAT文件系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)格式，方便進(jìn)行文件系統(tǒng)管理。通過SPI或SDIO接口，SD卡可以與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。唯一的限制是，SD卡的讀寫速度和響應(yīng)時(shí)間相較于內(nèi)部Flash可能較慢。
3 {) J4 ]3 h  n$ O* ]
9 S1 B: ?6 V+ F9 K. A! T2
連接方式
外部存儲器的連接方式是一個(gè)關(guān)鍵問題，不同類型的Flash存儲器有不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。
  ~1 ^+ k; z* ^2 b

SPI接口：大多數(shù)外部Flash存儲器都通過SPI總線與單片機(jī)連接，SPI協(xié)議簡單而且硬件資源占用少，適合大部分中低端MCU。如果是擴(kuò)展程序存儲，可以通過SPI Flash進(jìn)行代碼存儲；如果需要存儲大量數(shù)據(jù)，也可以通過SPI Flash擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲。

QSPI接口：對于需要高速數(shù)據(jù)讀寫的應(yīng)用，QSPI接口能提供比SPI更高的帶寬。這種接口通常用于需要高速存取程序代碼或大容量數(shù)據(jù)的場合。QSPI Flash的速度優(yōu)勢在于它能夠同時(shí)傳輸多個(gè)位數(shù)據(jù)，極大提高了讀寫速率。

SD卡接口：SD卡可以通過SPI模式或者更高效的SDIO模式與單片機(jī)連接。SPI模式的實(shí)現(xiàn)簡單，但帶寬有限；SDIO模式提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，適合對存儲性能要求較高的應(yīng)用。

3
文件系統(tǒng)支持
在擴(kuò)展Flash存儲器時(shí)，如何管理和訪問存儲的數(shù)據(jù)也是一個(gè)非常重要的考慮點(diǎn)。

對于外部存儲器，尤其是SD卡，通常需要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)。
! @7 I& a7 F& x
( `* l  f7 z6 o0 }1 b; p% L; P; k常見的文件系統(tǒng)有FAT16、FAT32，甚至是exFAT，取決于存儲器的大小和性能要求。

FAT文件系統(tǒng)：SD卡常用的文件系統(tǒng)是FAT格式，它不僅支持長文件名，還能與其他平臺的設(shè)備兼容。由于Flash存儲的寫入壽命有限，使用文件系統(tǒng)時(shí)要注意避免頻繁的寫入操作，以延長存儲器的壽命。

裸存儲訪問：對于一些簡單的應(yīng)用，直接通過裸存儲的方式訪問Flash存儲器，使用裸數(shù)據(jù)讀取/寫入的方式進(jìn)行操作，這種方式通常適用于存儲大量的數(shù)據(jù)塊，但沒有文件結(jié)構(gòu)和索引等管理。

9 W3 v  s( p) w3 S3 `2 v8 j4
存儲器管理
擴(kuò)展存儲器時(shí)，要考慮如何有效地管理存儲資源，尤其是在單片機(jī)的資源有限的情況下。

一般來說，擴(kuò)展存儲器后，必須考慮以下幾點(diǎn)：

內(nèi)存映射：將外部Flash存儲器的部分區(qū)域映射到單片機(jī)的地址空間。這樣可以通過普通的內(nèi)存讀寫操作訪問外部存儲器，這對于存儲程序代碼或數(shù)據(jù)來說是一種高效的方式。

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：為了與外部存儲器進(jìn)行交互，需要編寫驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)會(huì)根據(jù)存儲器的接口（SPI、QSPI、SDIO等）來完成數(shù)據(jù)讀寫操作。驅(qū)動(dòng)程序的性能和穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

擦寫管理：Flash存儲器的擦寫次數(shù)是有限的，在設(shè)計(jì)存儲擴(kuò)展時(shí)，要考慮到Flash的擦寫次數(shù)限制。通過采用磨損均衡（wear leveling）技術(shù)來延長存儲器的使用壽命是一個(gè)常見的做法，尤其是在SD卡和一些高容量Flash存儲器上。

% ?3 `  Q: {, Z* Y5
6 ^( @0 T; V' J: D7 @# W* f% U. {注意事項(xiàng)
在擴(kuò)展Flash存儲時(shí)，需要特別注意以下幾點(diǎn)：
6 n, C" F1 o& z4 L

電源和信號完整性：外部存儲器尤其是高速存儲器對電源的要求較高，可能需要額外的電源濾波和穩(wěn)定措施，避免因電源噪聲或電壓波動(dòng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤。

存儲壽命和耐用性：Flash存儲器通常會(huì)有一定的擦寫次數(shù)限制，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何避免頻繁擦寫操作，延長存儲器的使用壽命。

同步和并發(fā)訪問問題：在某些情況下，可能存在多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問存儲器的情況，這時(shí)需要特別注意數(shù)據(jù)一致性問題，可能需要通過鎖機(jī)制或者其他方法來保證數(shù)據(jù)的正確性。
' Z) F' _; v4 F& |8 [
' |/ ^; v3 h( P# Q通過以上方式，擴(kuò)展單片機(jī)的Flash存儲器不僅可以提高系統(tǒng)的存儲容量，還能在一些特殊場景下增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

. X+ f+ ]3 d8 V0 Z9 N# z
, t% H- D: k; t0 H點(diǎn)擊閱讀原文，更精彩~