3. Flash驱动原理：物理特性、擦除/写入/读取与驱动实现

做Bootloader，绕不开Flash驱动。说白了，Bootloader就住在Flash里，它还得负责把新固件也写到Flash里。你要是连Flash怎么擦、怎么写、怎么读都搞不清楚，那后面移植部署肯定要踩坑。

我刚开始做嵌入式那会儿，总觉得Flash驱动就是调库函数。直到有一次，我在一个STM32F103的项目里，因为没搞清楚扇区对齐，直接把中断向量表给擦没了。板子当场变砖，只能用JTAG救回来。嗯，从那以后，我再也不敢轻视Flash驱动了。

3.1 Flash的物理特性——你得知道它为什么这么“慢”

Flash存储器，本质上是一堆浮栅晶体管。每个存储单元里有个“浮置栅极”，电荷能存进去，断电也不丢。这就是非易失性的来源。

但Flash有个天生的“脾气”：写之前必须先擦除。为什么？因为擦除是把所有位从0变成1，而写入只能把1变成0。你不能直接覆盖写，就像你不能在已经写满字的纸上直接改，得先擦干净。

3.2 扇区与页——Flash的“最小操作单位”

Flash不是按字节擦除的，它有自己的“操作粒度”。这个概念特别重要，你写驱动时得时刻记着。

• 扇区（Sector）：擦除的最小单位。不同芯片不一样，有的4KB，有的16KB，有的128KB。你一次擦除，最少得擦一个扇区。
• 页（Page）：写入的最小单位。通常是256字节或512字节。你不能只写1个字节，得凑够一页才能写。
• 读取：按字节或字读取，没有限制。

举个例子，我常用的STM32F4系列，它的Flash结构是这样的：

3.3 擦除、写入、读取——三步走

Flash驱动核心就三个操作：擦除、写入、读取。咱们一个一个说。

3.3.1 擦除操作

擦除就是把整个扇区清成0xFF。注意，是整个扇区，不是部分。你哪怕只想改1个字节，也得把整个扇区擦掉，然后重新写入。

擦除流程大致如下：

1. 检查Flash是否忙（正在擦写）
2. 解锁Flash控制寄存器
3. 设置扇区编号
4. 触发擦除命令
5. 等待擦除完成（轮询状态寄存器）
6. 锁定Flash

我曾经在一个项目里，因为没检查Flash是否忙，直接发了擦除命令，结果跟之前的写入操作冲突了，Flash直接挂了。从那以后，我每次操作前都会加一个“忙检查”。

3.3.2 写入操作

写入是按页或按字写的。大多数MCU支持16位半字或32位字写入。写入前，目标地址必须是擦除过的（也就是0xFF状态）。

写入流程：

1. 检查Flash是否忙
2. 解锁Flash
3. 设置写入模式
4. 写入数据（按字或半字）
5. 等待写入完成
6. 锁定Flash

3.3.3 读取操作

读取最简单，直接通过指针访问就行。Flash在MCU的地址空间里是统一编址的，所以你可以像读RAM一样读Flash。

// 读取示例
uint32_t read_word(uint32_t addr) {
    return *(volatile uint32_t *)addr;
}

uint8_t read_byte(uint32_t addr) {
    return *(volatile uint8_t *)addr;
}

读取不需要解锁，也不需要等待。但要注意，如果读取的地址是擦除后的（0xFF），那读回来的就是0xFF。

3.4 驱动代码实现——手写一个Flash驱动

下面我以一个常见的Cortex-M3/M4 MCU为例，写一个精简的Flash驱动。这个驱动我用了好几年，移植到过好几个平台，基本逻辑都一样。

// flash_drv.h
#ifndef FLASH_DRV_H
#define FLASH_DRV_H

#include <stdint.h>

// 扇区大小定义（以STM32F4为例）
#define FLASH_SECTOR_SIZE_16KB   (16 * 1024)
#define FLASH_SECTOR_SIZE_64KB   (64 * 1024)
#define FLASH_SECTOR_SIZE_128KB  (128 * 1024)

// 错误码
typedef enum {
    FLASH_OK = 0,
    FLASH_ERR_BUSY,
    FLASH_ERR_ADDR_ALIGN,
    FLASH_ERR_WRITE_PROTECT,
    FLASH_ERR_TIMEOUT
} flash_status_t;

// 函数声明
flash_status_t flash_erase_sector(uint32_t sector_addr);
flash_status_t flash_write_word(uint32_t addr, uint32_t data);
flash_status_t flash_write_buffer(uint32_t addr, uint32_t *buf, uint32_t len);
uint32_t flash_read_word(uint32_t addr);
void flash_read_buffer(uint32_t addr, uint32_t *buf, uint32_t len);

#endif

// flash_drv.c
#include "flash_drv.h"

// 等待Flash操作完成
static flash_status_t flash_wait_busy(uint32_t timeout_ms) {
    uint32_t tick = 0;
    while (/* 检查Flash状态寄存器忙标志 */) {
        if (tick++ > timeout_ms) {
            return FLASH_ERR_TIMEOUT;
        }
        // 延时1ms
    }
    return FLASH_OK;
}

// 擦除整个扇区
flash_status_t flash_erase_sector(uint32_t sector_addr) {
    flash_status_t status;
    
    // 1. 检查地址是否在Flash范围内
    if (sector_addr < FLASH_BASE || sector_addr > FLASH_END) {
        return FLASH_ERR_ADDR_ALIGN;
    }
    
    // 2. 等待Flash空闲
    status = flash_wait_busy(1000);
    if (status != FLASH_OK) return status;
    
    // 3. 解锁Flash
    FLASH->KEYR = 0x45670123;
    FLASH->KEYR = 0xCDEF89AB;
    
    // 4. 设置扇区编号并触发擦除
    FLASH->CR |= (sector_num << 3);  // 设置扇区号
    FLASH->CR |= FLASH_CR_SER;       // 扇区擦除使能
    FLASH->CR |= FLASH_CR_STRT;      // 开始擦除
    
    // 5. 等待完成
    status = flash_wait_busy(5000);
    
    // 6. 锁定Flash
    FLASH->CR &= ~FLASH_CR_SER;
    FLASH->CR |= FLASH_CR_LOCK;
    
    return status;
}

// 写入一个字（32位）
flash_status_t flash_write_word(uint32_t addr, uint32_t data) {
    flash_status_t status;
    
    // 地址必须4字节对齐
    if (addr & 0x3) {
        return FLASH_ERR_ADDR_ALIGN;
    }
    
    status = flash_wait_busy(1000);
    if (status != FLASH_OK) return status;
    
    // 解锁
    FLASH->KEYR = 0x45670123;
    FLASH->KEYR = 0xCDEF89AB;
    
    // 设置编程模式
    FLASH->CR |= FLASH_CR_PG;
    
    // 写入数据
    *(volatile uint32_t *)addr = data;
    
    // 等待完成
    status = flash_wait_busy(1000);
    
    // 锁定
    FLASH->CR &= ~FLASH_CR_PG;
    FLASH->CR |= FLASH_CR_LOCK;
    
    return status;
}

// 读取一个字
uint32_t flash_read_word(uint32_t addr) {
    return *(volatile uint32_t *)addr;
}

3.5 Flash操作的知识结构

下面这张图，是我自己总结的Flash驱动知识结构。每次写驱动前，我都会对照着检查一遍。

3.6 避坑指南——我踩过的那些坑

做Flash驱动，有几个坑特别容易踩。我列出来，你写代码时多留个心眼。

• 擦除时掉电：擦除过程中掉电，扇区数据会损坏。Bootloader里最好加个校验，擦除前备份关键数据。
• 写入地址不对齐：32位写入地址必须是4的倍数。不对齐的话，轻则写入失败，重则硬件错误。
• 忘记解锁：Flash控制器默认是锁住的。不解锁直接写，写不进去。
• 超时处理：擦除和写入都有时间限制。如果Flash坏了或者卡住了，没有超时处理，程序就死在那了。
• 中断干扰：擦写Flash时，如果中断来了，可能会干扰时序。我习惯在擦写前关中断，完事再开。

好了，Flash驱动的基本原理和实现就这些。你把这个驱动框架吃透了，后面做Bootloader的移植部署就会轻松很多。记住：写前必擦、地址对齐、检查忙状态，这三句话值一万块。