AUTOSAR存儲模塊的解釋文章很多，本文整理存儲模塊基礎(chǔ)知識。

存儲基礎(chǔ)知識

FEE(Flash EEPROM Emulation)，即Flash模擬EEPROM。目前主流的應(yīng)用，為什么要用Flash模擬EEPROM?

下面我們來看下兩者之間的區(qū)別。

Non-volatile memory，非易失性存儲器，就是斷電后可以保存數(shù)據(jù)的存儲器,Flash和EEPROM都屬于這類存儲器，可是它們兩者之間還是有很多不同，主要有以下幾個方面：

1.擦寫方式不同

Flash：分為若干個Page，擦除的時候會整片擦除，寫的時候必須該位為1才可以寫進(jìn)去，所以說，每次在Flash里修改數(shù)據(jù)的時候，要先擦除再寫入。

EEPROM：寫之前可以不需要擦除直接修改，可以修改單字節(jié)，讀寫速度較慢一點。

2.擦寫次數(shù)

Flash較EEPROM較少。

3.從經(jīng)濟(jì)角度來看

很多芯片取消了EEPROM，用Flash模擬EEPROM來代替EEPROM以降低成本。

4.面向的需求不同

Flash：一般存儲一些不容易改變的數(shù)據(jù)，如車輛的一些出廠數(shù)據(jù)(VIN碼)等，因為這些數(shù)據(jù)不需要時常改變，所以存在Flash里就可以。

EEPROM：一般存儲一些容易改變的數(shù)據(jù)，如故障診斷中的DTC，如果將其存在Flash里面就會不停地去擦寫Flash，并且擦除面積較大，不利于操作。

FEE: 在MCU 中有一塊非易失性存儲器我們稱之為Data Flash , 在AUTOSAR FEE/FLS 規(guī)范中，通過DATA FLASH 模擬EEP的形式將數(shù)據(jù)存儲在Data Flash中。

Flash的基本概念

頁(Page)、扇區(qū)(Sector)、塊(Block)

Page:

由若干個字節(jié)所組成，是讀寫的最小單元， 比如 Page:8 bytes, 也就意味著即使向DATA FLASH 寫入一個字節(jié)，也會占用Page 這么大的空間。

Logical Section:

邏輯扇區(qū)，擦除的最小單元，其由若干Page所構(gòu)成，比如 Logical Section :2K 意味著擦除的最小單元式2K Bytes

Physical Section:

物理扇區(qū)由多個邏輯扇區(qū)所構(gòu)成 比如 Physical Section :20K，那么其由10個邏輯扇區(qū)所構(gòu)成，一個Physical Sector包含多個Logical Sector。

塊：

比扇區(qū)更高一個等級，一般1塊包含多個扇區(qū)和扇區(qū)一個級別的SubSector，和塊一個級別的Bank、Bulk等。

塊(bank) > 扇區(qū)(sector) > 頁(page)

寫入操作

EEPROM通常是以一個Byte或者Word為單位寫入和擦除的，即擦寫是以Byte或Word為邊界，這樣就使得EEPROM擦寫比較獨立自由，也不會影響其他數(shù)據(jù)。另外，EEPROM的擦寫壽命是比較高的，達(dá)百萬次。

在每個存儲單元保存一位信息的 EEPROM 和Flash中，存儲單元的默認(rèn)擦除狀態(tài)讀取為二進(jìn)制 1。對存儲單元進(jìn)行編程會將其值從二進(jìn)制 1 更改為二進(jìn)制 0，并且擦除存儲單元會更改其值 值從 0 到 1。

編程不能反向工作：只有擦除操作才能將存儲單元的值從 0 更改為 1 。

Flash通常是以Word或Double-Word為寫入單位，但是擦除卻以Block為單位，這個Block大小往往又是以KB衡量的。這些都是半導(dǎo)體制造工藝或設(shè)計特性有關(guān)，這也使得Flash的容量非常大，但擦寫壽命很短。

Flash Memory 具有質(zhì)量輕、能耗低、體積小、抗震能力強(qiáng)等的優(yōu)點，但也有不少局限性，主要如下：

需要先擦除再寫入

Flash Memory 寫入數(shù)據(jù)時有一定的限制。它只能將當(dāng)前為 1 的比特改寫為 0，而無法將已經(jīng)為 0 的比特改寫為 1，只有在擦除的操作中，才能把整塊的比特改寫為 1。

塊擦除次數(shù)有限

Flash Memory 的每個數(shù)據(jù)塊都有擦除次數(shù)的限制(十萬到百萬次不等)，擦寫超過一定次數(shù)后，該數(shù)據(jù)塊將無法可靠存儲數(shù)據(jù)，成為壞塊。

為了最大化的延長 Flash Memory 的壽命，在軟件上需要做擦寫均衡(Wear Leveling)，通過分散寫入、動態(tài)映射等手段均衡使用各個數(shù)據(jù)塊。同時，軟件還需要進(jìn)行壞塊管理(Bad Block Management，BBM)，標(biāo)識壞塊，不讓壞塊參與數(shù)據(jù)存儲。

讀寫干擾

由于硬件實現(xiàn)上的物理特性，F(xiàn)lash Memory 在進(jìn)行讀寫操作時，有可能會導(dǎo)致鄰近的其他比特發(fā)生位翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。這種異?？梢酝ㄟ^重新擦除來恢復(fù)。Flash Memory 應(yīng)用中通常會使用 ECC 等算法進(jìn)行錯誤檢測和數(shù)據(jù)修正。

電荷泄漏

存儲在 Flash Memory 存儲單元的電荷，如果長期沒有使用，會發(fā)生電荷泄漏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。不過這個時間比較長，一般十年左右。此種異常是非永久性的，重新擦除可以恢復(fù)。

AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)化的存儲模塊

AutoSAR中對NVM數(shù)據(jù)的存儲主要包括片內(nèi)存儲和外部存儲兩種方式： 片內(nèi)存儲，是用芯片內(nèi)部的DFLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲; 外部存儲，是通過外部EEPROM進(jìn)行存儲，一般會調(diào)用SPI、IIC等通信方式外掛EEPROM芯片。

AUTOSAR分層架構(gòu)中的存儲器堆棧由以下模塊組成,它為上層應(yīng)用層和基礎(chǔ)軟件提供基本的內(nèi)存管理服務(wù)。

非易失性存儲器管理器 - NVM(服務(wù)層)

存儲器接口 - MemIf(ECU抽象層)

Flash EEPROM模擬 - FEE(ECU抽象層)

EEPROM抽象 - EA (ECU 抽象層)

Flash 驅(qū)動程序 - Fls(MCAL 層)

EEPROM 驅(qū)動程序 - Eep(MCAL 層)。

NVM主要提供抽象數(shù)據(jù)存儲，在上電讀取下電存儲數(shù)據(jù)，支持Immediately存儲數(shù)據(jù)，將NV data在ROM和RAM之間建立關(guān)聯(lián); MemIf實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)Block在內(nèi)部Flash或者外部EEP的分離操作; FEE實現(xiàn)對Flash的數(shù)據(jù)Block的抽象和動態(tài)數(shù)據(jù)的Layout; Flash Driver提供操作Flash的接口; EA定義外部EEPROM的存儲抽象和數(shù)據(jù)的Layout; EEP提供外部EEPROM的操作接口和驅(qū)動。

詳細(xì)簡要各模塊

NVM模塊

Autosar NVM位于基礎(chǔ)軟件的服務(wù)層，并為為所有NV data的(初始化、讀、寫、控制)維護(hù)以及管理作提供了各種同步/異步服務(wù)。

無論是EEPROM還是Flash模擬，都在這層被抽象為同一類型，直到MemIf層才會做出區(qū)分，NVM模塊上層是RTE，下層是對接Flash Driver或者EEPROM Driver的接口，NVM就是屬于一個連接上層APP和底層的一個接口，應(yīng)用層在執(zhí)行一些和存儲相關(guān)的服務(wù)如寫數(shù)據(jù)或者更新DTC的時候，會調(diào)用NVM里面的函數(shù)，而NVM又根據(jù)不同的需求，整合了分別調(diào)用Flash模擬和EEPROM的接口。

NvM數(shù)據(jù)操作過程中的同步機(jī)制

NvM模塊為應(yīng)用程序或基礎(chǔ)軟件提供基本的同步和異步服務(wù)。

同步服務(wù)：

同步服務(wù)是一種阻塞式服務(wù)調(diào)用，其中程序輪詢服務(wù)是否完成，只有在服務(wù)完成時才返回執(zhí)行。APP中直接調(diào)用NVM的接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，此種方式不推薦使用共享的RAM Block操作，在NVM中確保RAM Block數(shù)據(jù)的一致性(主要同步CRC機(jī)制實現(xiàn))。

異步服務(wù)：

異步服務(wù)是一種非阻塞服務(wù)調(diào)用，其中對服務(wù)的請求被放置在隊列中，并且通過在塊配置期間配置的回調(diào)例程通知上層服務(wù)完成。

NVM定義了一個RAM Mirror用于和APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，APP調(diào)用NvM_WriteBlock的時候?qū)憯?shù)據(jù)到RAM Block中，此時數(shù)據(jù)仍然可以被修改，因為數(shù)據(jù)還沒有寫到最終的Nv Block，調(diào)用NVM數(shù)據(jù)操作NvMWriteRamBlockToNvM的時候數(shù)據(jù)被Copy到內(nèi)部的Mirror中，最后將數(shù)據(jù)寫到Nv Block。

NVRAM 數(shù)據(jù)操作Block

NvM中對數(shù)據(jù)的操作一般叫做Basic storage objects，Basic storage objects是NvM中存儲的最小單元。

Memory Service 通過將數(shù)據(jù)元素抽象成Block 進(jìn)行統(tǒng)一管理，NvM所有的功能都是以Block為單元。

NvM管理的Block包含四種 NVRAM Block，分別為NV Block，RAM Block，ROM Block，Administrative Block。

NV block

是存儲NV變量的基本結(jié)構(gòu),位于非易失性存儲器中， 用于保存非易失數(shù)據(jù)。

RAM Block

由于NV變量的寫入與讀取都是一件相對較慢的操作，而應(yīng)用層邏輯操作周期速度又太快。直接操作NV block顯然不合適，所以在進(jìn)行讀寫之前，我們會建議一個同樣大小的Ram空間來操作、使用、存放這些還沒有被寫入或者讀取的NV值。

ROM block

用于存儲默認(rèn)值，以便當(dāng)NV block數(shù)據(jù)出現(xiàn)損壞時予以替換。

Administrative block

是專門用于對NVRAM Block 與RAM blcok 的數(shù)據(jù)安全性進(jìn)行管理而設(shè)計的，Administrative Block是NV RAM中必須使用的，包含了DataSet類型的NvM數(shù)據(jù)管理相關(guān)的NV RAM Block的屬性、狀態(tài)以及錯誤信息，能管理NV Block的寫保護(hù)，以及上次數(shù)據(jù)操作的錯誤以及狀態(tài)信息，它對應(yīng)用層并不可見。

NvM數(shù)據(jù)的管理主要包括三種管理類型：

NVM_BLOCK_NATIVE

NVM_BLOCK_REDUNDANT

NVM_BLOCK_DATASET

Native NVRAM block

是最簡單的Block形式，該類型包括：

1個NV Block，1個RAM Block，1個Administrative Blocks

NVM_BLOCK_REDUNDANT

類型的Block 包含兩個 NV Block，1個RAM Block，1個Administrative Blocks，且兩 NV Block 中保存的數(shù)據(jù)互為備份， 提高了數(shù)據(jù)安全性。

NVM_BLOCK_DATASET

類型的 Block 可根據(jù)需求配置多個 NV Block 或 ROM Block 并通過索引選擇操作對象，提高了系統(tǒng)的靈活性，每一個DataSet的位置可以通過Administrative Blocks獲得，NvM可以讀取選擇的ROM Block。

Dataset NVRAM類型的設(shè)計可以根據(jù)需要對一個數(shù)據(jù)在NvRAM中以一定的循環(huán)偏移進(jìn)行存儲，每一次存儲位置可以不同，實現(xiàn)對NvRAM的壽命延長。

MemIf模塊

Memory Abstraction Interface (MemIf)作為接口抽象層， 為 NvM 提供訪問 Fee/Ea 模塊的函數(shù)，NvM借此抽象成硬件無關(guān)的模塊。

MemIf 通過Device Id將Fee 與EA 的相關(guān)接口抽象成MemIf接口供NvM訪問。

MemIf 可以同時管理EA 和FEE，通過NvM Block 的 DeviceId 配置屬性，進(jìn)行識別，在訪問對應(yīng)的Device Api :

EA 的Device ID 0 和Fee 的Device ID 1

FEE模塊

Fee(Flash Eeprom Emulation), 顧名思義就是Flash 模擬Eeprom. 那么為何不直接使用Eeprom，或者說Flash為什么需要模擬Eeprom。

Flash 與 EEP 都屬于非易失存儲器(Non-Valatile Memory)，主要存在以下幾點區(qū)別：

成本

同樣的存儲空間，EEP比Flash貴上許多，因此一般MCU上Flash空間要比EEPROM 空間大

擦寫方式

Flash 以Page為單位，擦除的時候 必須按照Page 為單位擦住，同時寫入的時候，只能寫1，也就是由0->1，因此如果要改寫某個Page的一個Byte,那么必須先將Page的內(nèi)容全部讀到Ram,然后改寫Ram中對應(yīng)的變量，然后擦除該Page,最后把Ram修改后的值寫入到Page，也就是需要以下三步：讀->改->寫

Eeprom 支持按照Byte直接修改

Fee,就是將Flash的寫入操作，通過軟件的模擬成EEP。

模擬EEP寫入方式

Fee 通過 Fls 模塊操作 DataFlash， DataFlash 具有如下物理特性：

按頁寫入，寫數(shù)據(jù)需為物理頁的整數(shù)倍， 否則需做字節(jié)補(bǔ)齊。

寫入前需確保此段空間未被寫入過數(shù)據(jù)， 否則需要擦除后再寫入數(shù)據(jù)。最小擦除單位為整個物理扇區(qū)。

Fee 的寫入單元是Block,Fee Block 是繼承自NvM Block，在NvM Block 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上Fee Block Header數(shù)據(jù)，形成Fee Block。

Fee 寫入Block 按照先寫入，地址就靠前的原則，下次寫入Block 就依次往后排。這樣確保每次寫入都不需要擦除。

Fee翻頁機(jī)制

Fee 通過對Flash空間整體劃分為兩個邏輯Sector, 一個作為Active Sector,一個作為Inactive Sector。這兩個Sector 由一個或者多個物理Sector組成。

在任意時間，只能有一個Logical Sector在作為 Active Sector只有當(dāng)Active Sector，如何寫入下一個Block,或者達(dá)到配置的剩余空間，那么就會進(jìn)行翻頁操作。

翻頁操作一般會經(jīng)歷如下幾個步驟:

將所有Block的最新數(shù)據(jù)寫入到Inactive Sertor

擦除Active，設(shè)置Inactive Sector為Active

注意，這里翻頁操作時，并沒有將所有的數(shù)據(jù)都由Active Sector搬運到Inactive Sector，而是將所有Block的最新數(shù)據(jù)搬運到Inactive Sector。

假設(shè)我們的MCU的Data Flash有兩個扇區(qū)，將兩個扇區(qū)分別標(biāo)記為邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)和邏輯扇區(qū)2(logical sector 2)。

假設(shè)我們要用Flash模擬EEPROM來存儲DTC，我們都知道DTC是個很小的數(shù)據(jù)，但是更新可能會比較頻繁，如下圖：

首先，邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)是空白的等待我們寫入數(shù)據(jù)，屬于工作片區(qū)(Actived)。

假設(shè)Flash一次性可以寫8個字節(jié)，我們可以這樣劃分：前4個字節(jié)來存儲DTC標(biāo)識，后4個字節(jié)來存儲具體DTC，每次DTC有更新我們就接著往沒有被寫到的空間更新數(shù)據(jù)，直到邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)被寫滿，我們將最新的DTC數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)邏輯扇區(qū)2(logical sector 2)里面，然后擦除整片邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)。

這時，邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)狀態(tài)變成(Not Actived)待工作片區(qū)，邏輯扇區(qū)2(logical sector 2)變成(Actived)工作片區(qū)，等邏輯扇區(qū)2(logical sector 2)寫滿再將最新數(shù)據(jù)復(fù)制到邏輯扇區(qū)1(logical sector 1)，然后擦除邏輯扇區(qū)2(logical sector 2)，這樣來回反復(fù)，大致工作流程是這樣的。

Fee 初始化讀取地址

Fee 提供地址管理機(jī)制，F(xiàn)ee 會在Ram中實施記錄所有Block的當(dāng)前地址和狀態(tài)，在Block寫入新的數(shù)據(jù)時，又會更新這個地址。

這些地址主要用于Fee讀取Block數(shù)據(jù)。

在Fee進(jìn)行初始化之前，這些Block地址是未知的，因此需要在Fee 初始化階段，需要從Flash 遍歷得到當(dāng)前Blcok的地址。

EA模塊

由于EEP是可以支持直接寫入的，因此存儲在Eep的Block地址都是固定的，EA模塊為EEPROM 硬件抽象層， 通過訪問下層 Eep 模塊提供的 API 操作 EEPROM 硬件， EEPROM 具有如下物理特性：

可按字節(jié)寫入，寫入前不需執(zhí)行數(shù)據(jù)擦除操作。

Ea 可為每個 Block 確定具體的硬件存儲地址并劃分存儲空間，NvM 在執(zhí)行讀/寫等服務(wù)時，通過 Ea 完成相應(yīng) Block 的地址映射即可操作EEPROM 硬件中數(shù)據(jù)。

EA地址管理

通過獲取 NvM Block 的類型、 長度等配置， Ea 按照各 Block 的長度為其分配地址空間，從 0 地址起依次向后排列。

EA Block 寫入管理

EA Block 中包含塊狀態(tài)標(biāo)識位，該標(biāo)識位會存入 Eeprom 中，通過該字段可以判斷當(dāng)前 Block 是否有效。

在讀任務(wù)若發(fā)現(xiàn)標(biāo)識位為無效的狀態(tài)，則直接向上層返回 MEMIF_BLOCK_INVALID 失敗狀態(tài);

若發(fā)現(xiàn)標(biāo)識位不為有效/無效值，則直接向上層返回 MEMIF_BLOCK_INCONSISTENT失敗狀態(tài)。

FLS模塊

Flash驅(qū)動提供獨立于硬件訪問Flash內(nèi)存的機(jī)制，提供用于讀寫和擦除Flash的服務(wù)驅(qū)動。

審核編輯：湯梓紅