2. SPI Flash基础

在嵌入式系统中，SPI Flash 是最常见的非易失性存储器件之一。它通过 SPI 总线与 MCU 通信，用于存放 Bootloader、固件、配置参数、字库、日志等数据。很多开发者第一次接触 SPI Flash 时，会把它简单理解成“一个可以通过 SPI 读写的存储芯片”，但真正进入驱动开发后，必须回答几个基础问题：这颗芯片是 NOR 还是 NAND？内部存储单元如何组织？页、扇区、块之间是什么关系？容量如何换算？CPU 发出的地址如何映射到具体页和字节？只有把这些问题弄清楚，后续的擦除、写入、读取、坏块管理、文件系统移植才有稳定基础。

一、NOR 与 NAND：两种不同的存储技术路线

SPI Flash 从存储介质上主要分为 NOR Flash 和 NAND Flash。二者都基于浮栅晶体管存储电荷，但阵列结构、接口方式和适用场景差异很大。NOR Flash 的存储单元采用并行连接，支持随机访问，读取时可以直接按地址输出数据，因此常被称为“代码存储型 Flash”。NAND Flash 的存储单元采用串联结构，读取以页为单位，写入和擦除速度更快、单位容量成本更低，适合大容量数据存储。

在 SPI 接口封装下，NOR Flash 通常支持 03h 普通读、0Bh 快速读、页编程、扇区擦除、块擦除等命令；NAND Flash 则通过 SPI 控制器封装了复杂的 NAND 管理逻辑，对外仍表现为命令、地址、数据三阶段，但内部存在坏块、ECC、页缓冲等机制。对于驱动开发者来说，最直观的区别是：NOR 可以像内存一样“读”，NAND 必须按页读，且写前必须擦除。

二、存储单元结构：浮栅晶体管如何保存 0 和 1

无论是 NOR 还是 NAND，基本存储单元都是浮栅晶体管。它比普通 MOS 管多了一层浮栅，浮栅被绝缘层包围，可以长期保存电荷。当浮栅中注入电子时，晶体管的阈值电压升高，在读取电压下不导通，表示“0”；当浮栅中没有电子时，晶体管导通，表示“1”。擦除操作就是把浮栅中的电子移走，使单元回到“1”状态。因此 Flash 的物理特性是：擦除后为 0xFF，写入只能把 1 变成 0，不能把 0 变回 1。这就是“先擦后写”的根本原因。

NOR Flash 的单元并联在位线上，读取时可以通过地址直接选中某个单元，所以支持随机访问。NAND Flash 的单元串联成串，读取时必须把整页数据加载到页缓存，再串行输出。串联结构减少了接触孔和金属连线，因此 NAND 的存储密度更高、单位成本更低，但随机访问能力弱，且更容易出现坏块和位翻转。

三、页、扇区、块：SPI Flash 的层级组织

SPI Flash 内部不是按字节随意擦写的，而是按固定层级组织。以常见的 W25Q64 为例，容量为 64Mbit，即 8MB。它的组织关系如下：

• 页（Page）：最小写入单位，通常为 256 字节。一次页编程命令最多写入一页，跨页写入需要拆分成多次。
• 扇区（Sector）：最小擦除单位，通常为 4KB。擦除命令以扇区为粒度，不能只擦一个字节。
• 块（Block）：由多个扇区组成，常见为 64KB，即 16 个 4KB 扇区。块擦除命令可一次擦除 64KB。
• 整片（Chip）：整片擦除命令，擦除整个芯片，耗时最长。

地址映射方面，SPI Flash 使用 24 位地址线，可寻址 16MB。对于 8MB 的 W25Q64，地址范围是 0x000000 到 0x7FFFFF。地址计算关系为：扇区号 = 地址 / 4096，页号 = 地址 / 256，块号 = 地址 / 65536。驱动中常用宏定义完成这些换算。

#define FLASH_PAGE_SIZE       256
#define FLASH_SECTOR_SIZE     4096
#define FLASH_BLOCK_SIZE      65536
#define FLASH_TOTAL_SIZE      (8 * 1024 * 1024)

#define ADDR_TO_PAGE(a)       ((a) / FLASH_PAGE_SIZE)
#define ADDR_TO_SECTOR(a)     ((a) / FLASH_SECTOR_SIZE)
#define ADDR_TO_BLOCK(a)      ((a) / FLASH_BLOCK_SIZE)
#define PAGE_TO_ADDR(p)       ((p) * FLASH_PAGE_SIZE)
#define SECTOR_TO_ADDR(s)     ((s) * FLASH_SECTOR_SIZE)

四、容量与地址映射：从 24 位地址到具体单元

SPI Flash 的容量通常以 Mbit 或 MB 表示。换算关系是 1 Byte = 8 bit，1 MB = 8 Mbit。例如 W25Q64 是 64Mbit，等于 8MB；W25Q128 是 128Mbit，等于 16MB。24 位地址最大寻址 16MB，因此超过 16MB 的芯片需要 32 位地址模式或 4 字节地址命令。驱动开发中，读、写、擦除命令都需要发送 3 字节地址，高位在前。

五、案例与误区：为什么写入前必须擦除

假设我们要把 0x000100 开始的 300 字节数据写入 W25Q64。由于页大小是 256 字节，0x000100 位于第 1 页，页内偏移为 0。300 字节跨越了第 1 页和第 2 页，因此必须拆成两次页编程：第一次写 256 字节到 0x000100，第二次写剩余 44 字节到 0x000200。如果直接发一条 300 字节的页编程命令，芯片会在页边界回卷，覆盖第 1 页开头的数据，这是非常典型的错误。

另一个常见误区是“读改写”时忘记擦除。Flash 写入只能把 1 变成 0，如果目标区域之前写过数据，直接写入会导致新旧数据按位与，结果不可预期。正确流程是：读出整个扇区到 RAM，修改目标字节，擦除该扇区，再把整扇区写回。对于频繁修改的参数区，建议使用双备份或日志式存储，避免频繁擦除导致寿命下降。

理解 NOR 与 NAND 的差异、浮栅存储原理、页/扇区/块层级以及容量与地址映射，是 SPI Flash 驱动开发的第一块基石。后续的擦除、写入、读取、ID 识别、状态轮询、坏块管理等操作，都建立在这些基础概念之上。只有把地址、页边界、擦除粒度三者的关系彻底理清，才能写出稳定可靠的 Flash 驱动。