【工具使用】STM32CubeMX-片内Flash读写操作

一、概述

    无论是新手还是大佬，基于STM32单片机的开发，使用STM32CubeMX都是可以极大提升开发效率的，并且其界面化的开发，也大大降低了新手对STM32单片机的开发门槛。
    本文主要讲述STM32芯片片内Flash功能的应用及其相关知识。

二、软件说明

    STM32CubeMX是ST官方出的一款针对ST的MCU/MPU跨平台的图形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系统下开发，其对接的底层接口是HAL库，另外习惯于寄存器开发的同学们，也可以使用LL库。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象层，另外还集成了像RTOS，文件系统，USB，网络，显示，嵌入式AI等中间件，这样开发者就能够很轻松的完成MCU/MPU的底层驱动的配置，留出更多精力开发上层功能逻辑，能够更进一步提高了嵌入式开发效率。
    演示版本 6.1.0

三、片内Flash功能简介

    首先看下Flash的概念，Flash（闪存）是一种非易失性存储技术，广泛应用于电子设备中。它结合了 ROM（只读存储器）的非易失性和 RAM（随机存取存储器）的可读写特性，成为现代数据存储的核心组件。最早的Flash是EEPROM（电可擦可编程只读存储器），EEPROM的特点是可单个字节擦写，但缺点就是效率低、成本高，于是就有人提出块擦除的概念，并在几年后推出首款NOR-Flash芯片，命名为Flash Memory，跟传统EEPROM对比，降低了成本，并提高了擦除效率。下面简单看下两者的对比：

特性	EEPROM	Flash
擦除单位	字节（Byte）级擦除，可随机修改单个字节	块（Block）或页（Page）级擦除（如 4KB/8KB/64KB）
擦写寿命	高（10 万 - 100 万次 P/E 循环）	中低（SLC: 10 万次，MLC: 1 万次，TLC/QLC: 1000-3000 次）
读写速度	写入：中等（约 100μs / 字节） 读取：快（约 50-100ns）	写入：慢（需先擦除整块，约 1-10ms / 页） 读取：快（随机读取快）
存储密度	低（成本高），容量通常为 KB 级别	高（成本低），容量从 MB 到 TB 级别
随机访问能力	支持按字节随机读写，无需预先擦除	仅支持块级擦除，写入前需擦除整个块
典型应用场景	配置参数存储（如 I2C EEPROM） 频繁更新的小数据（如计数器）	程序代码存储（如 MCU 片内 Flash） SSD、U 盘、存储卡等大容量存储
数据保存时间	长（>10 年）	中（5-10 年，依赖存储技术和使用环境）
成本 / 位	高	低（Flash 是主流低成本方案）
技术实现复杂度	简单（电路结构直接）	复杂（需 FTL 磨损均衡、ECC 纠错等技术）

注：因为Flash有擦写寿命，所以不可以频繁擦写，要控制擦写次数。

    简单介绍完通用Flash后，我们来看一下STM32内部的Flash是怎么样的，这里以STM32F103C8T6为例，内部Flash总共有128k（官方文档会写只有64k，但实际是有128k的，只是出厂的时候他们只保证64k是测试过没问题的），分成128页，每页1k的大小。STM32内部的Flash一般是用来存储代码，所以在单片机启动地址的选择中，有一个就是从0x08000000开始。除了存储代码以外，内部Flash还可以用来存储一些需要掉电后仍需要保持的数据。

    操作Flash时一般是需要关闭中断的，因为把Flash当成一个资源来看时，内核是需要使用一些通信指令去操作Flash的。当操作Flash时，内核需要发送指令去操作Flash，如果此时几个指令发送到一半时，突然产生中断，中断的代码是在Flash中的，相当于此时内核又重新发送指令去读取Flash中的代码指令，从时序上来看，是中断和操作Flash两个操作共用了Flash这一个资源，从而造成重入问题。一般出现这种问题会报硬件错误。然而STM32自身做了保护，即在擦除或写入时，会禁止读取，即擦除或写入Flash期间，中断无法执行。下面是官方STM32F10xxx 闪存编程手册(PM0075)的描述。

四、片内Flash配置

    有了以上一些基础知识，接下来我们来实现一个实际点的功能，存储一个数据，用来识别该软件是否第一次使用，如果是，那就打印一条第一次使用的信息，否则则打印欢迎回来的信息。首先先做个Flash的配置，这个功能配置很简单，简单到根本不需要单独配置。CubeMX直接配个带时钟的最简易的工程能跑就行。

    为了方便新手学习，这里还是一张图演示搞定。

    配置完时钟后，就直接来看实现吧，对于内部Flash，其实我们最关心的就是读跟写的功能，对于片内Flash来说，读取可以直接使用指针索引即可，但为了方便学习，这里还是写下具体实现。

• HAL库代码实现

#define FLASH_USER_START_ADDR    0x08004000U    // 用户Flash起始地址
#define FLASH_USER_END_ADDR      0x08010000U    // 用户Flash结束地址/*** @brief  写入数据到STM32F103内部Flash，支持跨页擦写* @param  startAddress: 写入的起始地址，必须是2字节对齐* @param  data: 待写入数据的指针* @param  size: 待写入数据的字节数* @retval HAL_StatusTypeDef: 操作状态*/
HAL_StatusTypeDef FLASH_WriteData(uint32_t startAddress, uint8_t* data, uint32_t size)
{HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;uint32_t pageError = 0;uint32_t currentAddress = startAddress;uint32_t dataIndex = 0;uint32_t firstPage = startAddress / FLASH_PAGE_SIZE;uint32_t lastPage = (startAddress + size - 1) / FLASH_PAGE_SIZE;/* 检查地址和数据合法性 */if ((startAddress < FLASH_USER_START_ADDR) || (startAddress + size > FLASH_USER_END_ADDR) ||(startAddress % 2 != 0) || (size % 2 != 0)){return HAL_ERROR;}/* 解锁Flash控制器 */status = HAL_FLASH_Unlock();if (status != HAL_OK) return status;/* 擦除涉及的页 */FLASH_EraseInitTypeDef eraseInit;eraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;eraseInit.PageAddress = firstPage * FLASH_PAGE_SIZE;eraseInit.NbPages = lastPage - firstPage + 1;status = HAL_FLASHEx_Erase(&eraseInit, &pageError);if (status != HAL_OK) goto FLASH_OPERATION_END;/* 写入数据（按半字，即16位操作） */while (dataIndex < size){uint16_t halfWordData = (uint16_t)(data[dataIndex + 1] << 8) | data[dataIndex];status = HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD, currentAddress, halfWordData);if (status != HAL_OK) break;currentAddress += 2;dataIndex += 2;}FLASH_OPERATION_END:/* 锁定Flash控制器 */HAL_FLASH_Lock();return status;
}/*** @brief  读取STM32F103内部Flash数据，支持跨页读取* @param  startAddress: 读取的起始地址，必须是2字节对齐* @param  data: 待读取数据的指针* @param  size: 待读取数据的字节数* @retval HAL_StatusTypeDef: 操作状态*/
HAL_StatusTypeDef FLASH_ReadData(uint32_t startAddress, uint8_t* data, uint32_t size)
{for (uint32_t i = 0; i < size; i++){data[i] = *((uint8_t *)startAddress + i);}return HAL_OK;
}uint8_t write_en = 0;                   // 写入使能
uint32_t write_addr = 0;                // 写入数据的Flash首地址（基于0x08004000）
uint8_t write_data[FLASH_PAGE_SIZE];    // 待写入的数据uint8_t read_en = 0;                    // 读取使能
uint32_t read_addr = 0;                 // 读取数据的Flash首地址（基于0x08004000）
uint8_t read_data[FLASH_PAGE_SIZE];     // 待读取的数据/* USER CODE END 0 *//*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();/* USER CODE BEGIN 2 *//* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */if (write_en){FLASH_WriteData(FLASH_USER_START_ADDR + write_addr, write_data, FLASH_PAGE_SIZE);write_en = 0;}if (read_en){FLASH_ReadData(FLASH_USER_START_ADDR + read_addr, read_data, FLASH_PAGE_SIZE);read_en = 0;}/* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

• 效果演示
  

五、注意事项

1. 正常来讲，Flash要写入数据前，必须先擦除原本的整页的数据，但STM32内部Flash是支持不擦除写入的，但必须确保数据是从1变成0，因为Flash本身的特性，数据从0变1只能是通过擦除的动作来实现。
2. 因为内部Flash最小的擦除单位是页，所以当需要修改同一页里的某个数据时，必须先把整页数据读至RAM，然后整页擦除，修改RAM中要改变的值，再将整页RAM写回Flash中，所以操作Flash时，RAM至少要留与Flash页大小一致的一片空间。
3. 擦除或写入Flash前需要关闭中断，不然会出现重入问题，导致出现硬件错误。但STM32除外，因为STM32擦写Flash时内部会禁止读取Flash。
4. 写Flash前，需要确认写入的数据是否跟原本的数据一样，如果是一样的可以不写入。因为Flash存在擦写寿命，如果过于频繁地操作擦写Flash，当达到擦写的寿命时，Flash会损坏。一般标称可擦写10w次。

六、相关链接

对于刚入门的小伙伴可以先看下STM32CubeMX的基础使用及Keil的基础使用。
【工具使用】STM32CubeMX-基础使用篇
【工具使用】Keil5软件使用-基础使用篇