單片機與存儲器的關(guān)系像什么？單片機里的存儲都是一樣的嗎？為什么有的單片機既有EEPROM又有Flash？

本期貿(mào)澤科普實驗室，就來扒一扒單片機與存儲器的那些事——

01單片機與存儲器的關(guān)系像什么？

請你用比喻來形容下存儲與單片機的關(guān)系，你會用什么呢？

我覺得他們很像大腦與大腦的記憶系統(tǒng)，大腦（單片機）掌控著身體（嵌入式系統(tǒng)）的各項活動和決策，記憶系統(tǒng)存儲那些與生俱來的本能反應(yīng)和經(jīng)過長期學(xué)習(xí)固化下來的知識（ROM），也短暫存儲當(dāng)前正在思考和處理的信息（RAM），比如剛剛看到的一個電話號碼，一旦注意力轉(zhuǎn)移（斷電），這個短期記憶就會遺忘（數(shù)據(jù)清除）。所以，如果存儲不工作了，無論性能多高的器件，都得“涼涼”。

02單片機里的存儲都是一樣的嗎？

以超低功耗32位MCU STM32L151R6-A為例，下圖是其電路框圖，標(biāo)紅的部分就是在MCU內(nèi)部集成的存儲器。

在單片機中，為什么會有這么多種類的存儲呢？捋一遍STM32L151R6-A單片機的工作過程就立刻清晰明了了。

1）在單片機上電復(fù)位之后，首先需要執(zhí)行的是引導(dǎo)代碼，就如電腦的系統(tǒng)一樣，引導(dǎo)程序的目的是初始化系統(tǒng)硬件，如時鐘、外設(shè)等，并將應(yīng)用程序從其他存儲器，如Flash，加載到SRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的入口地址開始執(zhí)行。此外，引導(dǎo)程序還可以提供一些基本的調(diào)試和下載功能，方便開發(fā)者對MCU進(jìn)行程序燒錄和調(diào)試。Boot ROM是單片機正常工作使用的第一個存儲器。

當(dāng)然，并不是所有MCU都有Boot ROM，像一些簡單、低端的單片機本身是不需要復(fù)雜的引導(dǎo)過程的，還有一些自定義設(shè)計的特殊單片機，可以通過外部電路或者其他的特殊機制來實現(xiàn)程序的啟動和加載。

2）單片機啟動之后，需要去完成某個具體的應(yīng)用功能，比如智能家居應(yīng)用，單片機要控制燈光，實現(xiàn)這個功能的應(yīng)用代碼在PC編寫完成之后，會被燒錄到單片機里的存儲器中，這個存儲器就是Flash。除了所有的應(yīng)用程序之外，F(xiàn)lash存儲一些需要長期保存的數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)配置參數(shù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)在設(shè)備運行過程中可能會被讀取或修改，但在斷電后依然能夠保留。

3）單片機系統(tǒng)在運行時，可能會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要頻繁的修改，但又不能丟失，比如溫濕度的調(diào)節(jié)，需要實時根據(jù)情況更新數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)保存后，在下次啟動時，不能丟失，這些數(shù)據(jù)就會被存儲在另外一種ROM，EEPROM里。

4）前面提到的控制燈光功能，假設(shè)需要根據(jù)光的強度進(jìn)行控制，就要使用光傳感器，單片機要對傳感器測得的光線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運算，會產(chǎn)生臨時數(shù)據(jù)、中間結(jié)果，這些會被暫時存放在SRAM中，而且程序通常從Flash加載到SRAM執(zhí)行。

5）任何電子系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)異常情況，比如電源故障。在故障修復(fù)之后，如何能夠保證系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)？這就需要Backup Data存儲器中存儲的關(guān)鍵備份數(shù)據(jù)，比如運行狀態(tài)信息、配置信息等。

從單片機系統(tǒng)的運行過程來看，這些存儲器扮演著重要的角色，雖然種類多，但缺一不可。

03既有EEPROM又有Flash的單片機

這要從早期ROM說起，初始的ROM數(shù)據(jù)寫入方式是在ROM的制造工序中，芯片廠商用特殊的方法燒錄進(jìn)去的，一次性寫入內(nèi)容后，用戶只能驗證寫入的資料是否正確，不能再作任何修改。這，工程師怎么能忍，于是就有了可編程只讀存儲器（PROM），PROM允許在制造后由工程師使用編程器寫入數(shù)據(jù)，但只能寫入一次，之后就不能再更改了，額，只能寫一次？這不相當(dāng)于人生下來，只能吃一頓飯一樣？還得改。

為了解決不能重復(fù)寫入的問題，EPROM出現(xiàn)了，EPROM芯片可重復(fù)擦除和寫入，它有一個很明顯的特征，就是它正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過這個窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，當(dāng)紫外線透過這個窗口照射內(nèi)部芯片時，就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于使用紫外線擦除過程需要特殊的設(shè)備和操作，很繁瑣，還有可能因為擦除窗口遮光失效，導(dǎo)致數(shù)據(jù)被誤擦除。

是不是可用其他方式擦除呢？沒錯，用電信號也可以的，這就是電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）。EEPROM的電可擦除，無疑是前進(jìn)了一大步。在數(shù)據(jù)讀取/寫入操作上，EEPROM允許以字節(jié)為單位進(jìn)行操作。不論是編程，還是擦除的過程，EEPROM非常靈活和方便。

雖然EEPROM的性能已經(jīng)非常不錯了，既可以電擦除，又能按字節(jié)讀寫，但是，隨著程序逐漸復(fù)雜，EEPROM的讀寫速度和容量就有點捉襟見肘，如果還是只能按照字節(jié)操作，就太慢太慢了，改幾行代碼，還得等半天，所以，在EEPROM的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了Flash存儲器，有更高的存儲密度、更低的成本和更快的擦寫速度。

要回答為什么有的單片機既有EEPROM又有Flash這個問題，還得看EEPROM和Flash的本質(zhì)區(qū)別，這里我們整理了EEPROM和Flash在數(shù)據(jù)讀取/寫入操作方式、使用次數(shù)以及容量大小這些數(shù)據(jù)：

從擦除和寫入次數(shù)上看，EEPROM次數(shù)較高，以常用的AT24C02為例，它的擦除和寫入次數(shù)高達(dá)100萬，數(shù)據(jù)保存年限為100年。Flash的次數(shù)相對較少，以華邦的W25Q系列的SPI Flash為例，它的擦除和寫入次數(shù)可小至10萬，數(shù)據(jù)保存年限為在20年以上。

從讀寫方式上來看，EEPROM允許以字節(jié)為單位進(jìn)行擦除和寫入操作，而Flash則是以塊或扇區(qū)為單位進(jìn)行擦除和寫入操作。

從存儲容量上來看，EEPROM的容量都比較小，一般在幾K字節(jié)到幾百K字節(jié)，而Flash的容量是非常大的，小到幾M，大到幾T。

EEPROM和Flash這些各自的特點，讓EEPROM在單字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫環(huán)境更有優(yōu)勢，而Flash適合存儲程序代碼和大量不頻繁更新的數(shù)據(jù)。

舉兩個單片機應(yīng)用的例子，第一個，比如要保存一個溫度值，范圍在0-100攝氏度，只占用1個字節(jié)，每1分鐘需要把更新的溫度值寫入單片機的存儲器。

如果使用EEPROM，只需要操作存儲器中一個字節(jié)的空間，如果是Flash，就需要去操作一個塊或者一個扇區(qū)，比如一個扇區(qū)有512字節(jié)，操作一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，整個扇區(qū)都需要重新擦寫，這么高頻次的擦寫，F(xiàn)lash的這個扇區(qū)很快就會被干廢了，F(xiàn)lash廢了，單片機也就廢了。所以，這種場景使用EEPROM更適合。

第二個是在OTA升級系統(tǒng)固件時，為了防止系統(tǒng)升級失敗造成系統(tǒng)變磚，就要在系統(tǒng)升級前備份系統(tǒng)固件，一般OTA升級的周期都是以月或者年為單位的，數(shù)據(jù)量大且集中，這個時候就需要使用Flash，它的讀寫速度快且容量大，如果使用EEPROM，讀寫速度慢而且有可能容量不夠。

從這兩個例子，可以看出，F(xiàn)lash和EEPROM在功能上實現(xiàn)互補，他們的存在可以讓系統(tǒng)更好的工作。

如果你認(rèn)真仔細(xì)地讀到了這里，相信文章開頭提到的3個問題，你都已經(jīng)了解清楚了，那就說明我們本期的貿(mào)澤科普實驗室沒白做！