Flash 是 STM32 微控制器中最关键的非易失性存储介质，广泛应用于程序存储、掉电数据保存、参数配置以及在线升级（OTA）等场景。本文将从 STM32 Flash 的基本结构与擦写机制入手，分析其典型应用场景及注意事项，帮助开发者理解和正确使用 Flash，构建可靠的嵌入式系统。

一、STM32 Flash 存储结构概述

STM32 系列（如 F1、F4、G0、H7 等）内部 Flash 容量从几十 KB 到几 MB 不等。其特点包括：

• 字节地址访问：可逐字节、半字、字或双字写入（取决于系列）
• 按页（Page）或扇区（Sector）擦除：最小擦除单位为页/扇区，不能单字节擦除
• 擦除后值为全 1（0xFF）
• 写入时只能将 1 改为 0，不能将 0 改为 1

以 STM32F103 为例：

• Flash 总容量：64KB/128KB/256KB
• 最小擦除单位：1KB 页（Page）
• 编程单位：半字（16位）

以 STM32F4 为例：

• Flash 分为多个可变大小扇区（Sector），部分为 16KB，部分为 128KB
• 支持并行擦除与双 Bank 操作（F4 高端系列）

二、Flash 操作流程与注意事项

1. Flash 写入流程

1. 解锁 Flash 写保护
2. 校验目标地址是否可写（不能跨页、不能写 0 覆盖已有 0）
3. 写入数据（使用 HAL 库、裸写或 CMSIS 库）
4. 校验写入结果
5. 上锁 Flash，避免意外写操作

HAL_FLASH_Unlock();
HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD, address, data);
HAL_FLASH_Lock();

2. 擦除流程

擦除必须以页（Page）或扇区（Sector）为单位，不能精确擦除某个变量。

FLASH_EraseInitTypeDef EraseInitStruct;
uint32_t PageError;
EraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
EraseInitStruct.PageAddress = start_addr;
EraseInitStruct.NbPages = pages;
HAL_FLASHEx_Erase(&EraseInitStruct, &PageError);

注意事项：

• 擦除时间较长（几毫秒），建议使用独立任务或中断保护
• 擦除操作中不能断电，建议加电压检测（PVD）

三、典型应用场景设计

1. 掉电参数保存（配置存储）

许多嵌入式应用需要将参数（如通信地址、校准值、工作模式等）写入 Flash，以便掉电后保存。

设计建议：

• 将参数集中存储于某个特定页，避免与主程序混淆
• 修改前必须擦除整页，更新时采用**“双区 + 标志位”机制**防止中途掉电损坏数据
• 可采用 CRC 校验保证数据完整性

2. 日志与事件记录

Flash 也可用于保存报警日志、系统故障记录等数据，常见做法：

• 环形缓冲区：按页或记录循环写入，记录满后覆盖旧记录
• 标志头 + 数据区：先写入状态标志位，再写入数据，最后更新状态

注意控制写入次数：Flash 擦写寿命通常在 1~10 万次，可使用 wear leveling 技术延长寿命。

3. Bootloader + APP 架构（固件升级）

在线升级场景中，需要在 Flash 中预留空间给两个区：

• Bootloader 区（通常放在起始地址 0x08000000）：负责启动判断、跳转和升级逻辑
• APP 区（如 0x08004000 开始）：主程序存储区域

升级流程：

1. Boot 判断是否进入升级（如串口接收升级指令）
2. 擦除 APP 区
3. 分包接收新固件并写入 Flash
4. 校验后跳转至新程序

Bootloader 中的关键点：

• 使用函数指针跳转（需清除中断、重设向量表）
• 校验程序完整性（如 CRC、MD5）
• Flash 写入必须避开 Bootloader 自身区域

四、防止误操作与 Flash 使用陷阱

1. 电压问题

Flash 编程对电压要求高，掉电过程中若执行写操作，极可能写坏数据甚至锁死 Flash。

对策：

• 开启 PVD（Programmable Voltage Detector）功能，在低压时禁止擦写
• 写前检测供电电压是否充足

2. 写入对齐与编程单位问题

不同 STM32 系列要求的数据写入单位不同：

• F1/F3：16 位半字（必须地址对齐）
• F4/H7：32 位或 64 位
• 写入单位不对齐会导致写入失败或异常

3. 频繁擦写问题

Flash 擦写有寿命限制，频繁操作会加速损耗。

优化建议：

• 合理设置数据存储周期（如参数变动才写入）
• 使用 EEPROM 仿真机制（ST 提供 EEPROM Emulation 库）
• 使用外部 EEPROM 或 FRAM 替代 Flash 作为频繁写入区域

五、仿真与调试技巧

• 使用 STM32CubeProgrammer 或 ST-Link Utility 工具：可查看 Flash 各扇区状态
• 打开 Flash 操作日志：调试过程中监控 Flash 写入、擦除地址是否正确
• 单步调试时避免停在擦除代码处：可能导致假死

六、结语

Flash 的正确使用直接关系到嵌入式系统的稳定性和可维护性。本文从结构原理、擦写机制、典型应用场景到使用注意事项，为开发者提供了一套系统性的指导。无论是参数存储、故障记录还是在线升级，实现 Flash 操作的安全性与可靠性，都是打造高质量产品不可或缺的一环