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2026/1/8 3:44:21
Flash Memory擦除操作全解析：从原理到实战，新手也能轻松上手
你有没有遇到过这样的情况？在做固件升级时，新程序写进去却无法运行；或者保存配置后重启发现数据“消失”了。如果你用的是SPI Flash芯片，比如W25Q64、MX25L系列，那问题很可能出在一个被很多人忽视的关键步骤——Erase（擦除）。
别小看这个操作。它不是可有可无的“清理动作”，而是Flash存储器工作的铁律。不理解它，轻则功能异常，重则把整个系统搞“砖”。
今天我们就来彻底讲清楚：为什么必须先擦除才能写入？怎么安全高效地执行一次擦除？常见的坑有哪些？代码该怎么写？
一、为什么Flash不能直接“覆盖写”？
我们平时用U盘或硬盘的时候，改个文件直接保存就行，但在嵌入式开发中，对Flash的操作却要复杂得多。核心原因在于它的物理结构。
它的本质是“浮栅晶体管”
Flash memory的基本存储单元是一种叫做浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）的器件。你可以把它想象成一个带“电子陷阱”的开关：
- 当浮栅里没有电子时 → 表示“1”
- 当电子被注入并困在浮栅里时 → 表示“0”
而关键来了：
✅编程（Program）操作：可以把某个bit从“1”变成“0”（往浮栅注入电子）
❌但不能反向操作：无法单独把“0”变回“1”
所以，如果你想修改一个原本是“0”的位置为“1”，唯一的办法就是——整块区域一起清空，也就是擦除（Erase）。
这就引出了那句每个嵌入式开发者都该记住的话：
🔧一切写入之前，必先erase。这不是限制，而是规则。
二、擦除单位到底是啥？Sector、Block、Chip有啥区别？
既然不能按字节擦除，那就得知道最小能擦多少。
Flash的擦除是以固定大小的“块”为单位进行的，常见层级如下：
| 擦除单位 | 典型大小 | 使用场景说明 |
|---|---|---|
| Page | 256B ~ 1KB | 最小写入单位，不可单独擦除 |
| Sector | 4KB / 32KB | 最常用擦除粒度，适合配置区、日志等 |
| Block | 64KB / 128KB | 大范围擦除，效率高但灵活性低 |
| Chip | 整颗芯片 | 出厂测试或完全重置时使用 |
举个例子，以W25Q64为例：
- 支持4KB扇区擦除
- 也支持64KB块擦除
- 还能整片擦除（Chip Erase）
这意味着：哪怕你只想改一个字节，也必须先把包含它的那个4KB扇区全部擦掉，再重新写入这一页的数据。
听起来有点“浪费”？确实如此。但这正是Flash和EEPROM的最大区别之一。
| 对比项 | Flash | EEPROM |
|---|---|---|
| 擦除粒度 | 扇区/块（几KB以上） | 字节级 |
| 写入速度 | 快（页写入） | 慢 |
| 成本与密度 | 高密度、低成本 | 低密度、高成本 |
| 适用场景 | 固件、大文件、OTA包 | 参数、标志位、小变量 |
所以选型时要权衡：追求容量和性价比 → 用Flash；需要频繁微调单个字节 → 考虑外挂EEPROM。
三、一次完整的擦除是怎么发生的？
让我们看看当你调用spi_flash_erase_sector(0x00001000)时，背后到底发生了什么。
第一步：发命令前先“申请权限”——Write Enable
Flash芯片默认是“保护状态”，不会响应任何写或擦除命令。你必须先告诉它：“我要开始写了！”
这就是Write Enable（WREN）命令（0x06）的作用。
void spi_flash_write_enable(void) { uint8_t cmd = 0x06; spi_select(); // CS低电平选中设备 spi_transfer(&cmd, 1); spi_deselect(); // CS拉高结束 }注意：这个使能只对下一条写/擦命令有效。也就是说，每执行一次擦除或写入前，都得先发一遍WREN！
第二步：发送擦除命令 + 地址
不同擦除类型对应不同的指令：
| 命令（Hex） | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| 0x20 | Sector Erase | 擦除4KB扇区 |
| 0x52 | Block Erase (32K) | 擦除32KB块 |
| 0xD8 | Block Erase (64K) | 擦除64KB块 |
| 0xC7 | Chip Erase | 整片擦除（慎用！） |
例如，我们要擦除地址0x00001000所在的4KB扇区：
cmd[0] = 0x20; // 命令：Sector Erase cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF; // A23~A16 cmd[2] = (address >> 8) & 0xFF; // A15~A8 cmd[3] = address & 0xFF; // A7~A0然后通过SPI发送出去。
⚠️重要提醒：地址必须对齐到扇区边界！
比如4KB扇区要求地址低12位为0 → 即addr & 0xFFF == 0。否则可能擦错区域甚至失败。
第三步：等待完成——轮询BUSY位
擦除不是瞬间完成的。典型的4KB扇区擦除需要约400ms，期间芯片处于“忙”状态。
你怎么知道它干完了？查状态寄存器！
do { spi_select(); spi_transfer(&0x05, 1); // Read Status Register spi_receive(&status, 1); spi_deselect(); } while (status & 0x01); // BUSY bit = 1 表示还在忙只要状态寄存器第0位（BUSY）为1，就说明还在擦，不能进行其他操作。
💡 小技巧：实际项目中建议加超时机制，防止死循环卡死。
四、完整代码示例：可移植的扇区擦除函数
下面是一个经过实战验证的C语言实现模板，适用于大多数SPI NOR Flash芯片（如W25Qxx、MX25Lxx等）：
#include "spi_flash.h" // 启用写操作 void spi_flash_write_enable(void) { uint8_t cmd = 0x06; spi_select(); spi_transfer(&cmd, 1); spi_deselect(); } // 等待芯片空闲 void spi_flash_wait_busy(void) { uint8_t status; uint8_t cmd = 0x05; uint32_t timeout = 1000000; // 防止无限等待 do { if (--timeout == 0) { // TODO: 错误处理，记录日志或复位 return; } spi_select(); spi_transfer(&cmd, 1); spi_receive(&status, 1); spi_deselect(); } while (status & 0x01); } // 擦除指定地址所在的4KB扇区 void spi_flash_erase_sector(uint32_t address) { uint8_t cmd[4]; // 步骤1：开启写使能 spi_flash_write_enable(); // 步骤2：构造并发送擦除命令 cmd[0] = 0x20; // 4KB Sector Erase cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF; cmd[2] = (address >> 8) & 0xFF; cmd[3] = address & 0xFF; spi_select(); spi_transfer(cmd, 4); spi_deselect(); // 步骤3：等待擦除完成 spi_flash_wait_busy(); } // 示例：擦除0x00001000处的扇区 int main(void) { system_init(); spi_flash_init(); uint32_t addr = 0x00001000; if ((addr & 0xFFF) != 0) { // 地址未对齐，应警告或调整 } spi_flash_erase_sector(addr); return 0; }📌关键点总结：
- 每次擦除前必须调用write_enable
- 地址需对齐到4KB边界
- 必须等待BUSY位清零后再进行后续操作
- 加入超时保护避免系统挂死
五、真实应用场景：OTA固件升级怎么做？
假设你要做一个WiFi远程升级功能（OTA），流程大致如下：
- 接收新的固件包 → 存入RAM缓冲区
- 找到目标写入地址（如
0x100000） - 查询该地址所属扇区是否已擦除？
- 如果没擦 → 调用erase_sector - 分页写入（每次最多256字节，遵循页边界）
- 写完后计算CRC校验
- 标记新固件有效，下次启动跳转执行
🔍注意事项：
- OTA过程中禁止同时读取Flash（如XIP运行代码），否则会总线冲突
- 建议使用双Bank机制：一半运行旧版，一半写新版，无缝切换
- 引入磨损均衡（Wear Leveling）：不要每次都写同一个sector，否则寿命很快耗尽
六、那些年踩过的坑：常见错误与解决方案
| 现象 | 原因分析 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 擦除后仍无法写入 | 忘了调write_enable() | 每次操作前务必使能 |
| 擦除卡住不动 | BUSY一直为1 | 检查供电是否稳定，SPI时序是否正确 |
| 数据写入混乱 | 地址未对齐或跨页 | 确保页写入不越界 |
| 系统变砖 | 不小心擦了Bootloader区 | 启用写保护，锁定关键区域 |
| 寿命提前报废 | 同一sector反复擦写 | 使用动态磨损均衡算法 |
🔧特别提醒：
很多初学者喜欢用逻辑分析仪抓包看命令是否发出，但忽略了电源噪声和SPI信号完整性。如果VCC波动大或MISO采样不准，也可能导致命令丢失或状态读错。
七、设计建议：如何构建可靠的Flash管理系统？
1. 合理划分分区
建议在项目初期就定义好Flash布局，例如：
| 区域 | 起始地址 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|---|
| Bootloader | 0x000000 | 32KB | 引导程序，只读 |
| Config | 0x008000 | 4KB | 用户参数，定期更新 |
| Firmware A | 0x010000 | 512KB | 应用程序镜像 |
| Log Buffer | 0x100000 | 64KB | 循环日志，高频擦写 |
可以用链接脚本.ld文件或JSON格式的分区表管理。
2. 抽象出统一驱动层
不要到处散落spi_flash_erase_sector()这种底层调用。封装成模块：
flash_driver.erase_sector(addr); flash_driver.program_page(addr, data, len); flash_driver.read_data(addr, buf, len);这样未来换芯片或加功能（如加密、压缩）更容易扩展。
3. 监控擦写次数
调试阶段可以在内存中维护一个计数器数组，记录每个sector被擦了多少次：
uint16_t erase_count[SECTOR_COUNT];跑一段时间后查看哪些区域成了“热点”，及时优化策略。
4. 注意电源设计
Flash在擦除时电流可达20mA以上，尤其是大块擦除。如果你用的是LDO供电，压降太大会导致芯片复位或操作失败。
✅ 解决方案：
- 使用DC-DC而非LDO
- 增加去耦电容（推荐10μF + 0.1μF组合）
- 关键操作期间禁用低功耗模式
5. 安全是底线
- 擦除boot区前弹出二次确认（可通过串口交互）
- 写入完成后做CRC32或SHA256校验
- 支持回滚机制：旧版本保留一份，升级失败自动还原
最后一句话
在Flash的世界里，一切写入之前，必先erase。
这不是繁琐的限制，而是由物理规律决定的必然规则。掌握它，你就掌握了嵌入式系统中最基础也最关键的存储管理能力。
当你下次面对“数据写不进去”、“程序跑飞”、“Flash变砖”等问题时，不妨先问自己一句：
“我……是不是忘了擦除？”