SPI Flash扇区erase操作的新手教程

SPI Flash扇区擦除操作：从原理到实战的完整指南

你有没有遇到过这样的情况？在给设备做固件升级时，新代码写进去却读不出来；或者保存配置参数后重启，发现数据“消失”了”。如果你用的是SPI Flash，那问题很可能出在——忘了先擦再写。

这不是简单的疏忽，而是对Flash存储器物理特性的误解。RAM可以随时覆盖写入，但Flash不行。它像一块只能用橡皮擦干净后再写字的黑板：想改内容？先彻底擦掉旧字迹。

本文将带你深入理解SPI Flash中最关键、也最容易踩坑的操作之一：扇区擦除（Sector Erase）。我们将从底层机制讲起，一步步拆解命令流程、状态控制和工程实践中的避坑策略，让你不仅能“跑通”，更能“搞懂”。

为什么必须先擦除才能写？

要真正掌握扇区擦除，首先要明白一个核心事实：

Flash只能将比特位从1变成0，不能反过来。

这意味着：
- 初始状态下，所有存储单元都是0xFF（全1）
- 写入数据时，你可以把某些位清零（比如写入0x5A）
- 但如果下次想恢复成0xFF，普通的“写操作”无能为力

唯一的办法就是执行擦除（Erase），通过内部高压电路释放浮栅晶体管中的电荷，强制所有位回到高电平状态。

换句话说：

写入 = 把需要的位设为0 擦除 = 把全部位重置为1

所以，在任何写入之前，目标区域必须是“干净”的——即已被擦除为全0xFF状态。否则，原本的0会阻碍新数据的正确写入。

这也就是为什么很多开发者第一次操作Flash时会失败：他们以为可以直接“修改”某个地址的数据，结果却发现怎么都写不进去或数据错乱。

扇区结构与擦除粒度：你知道该擦多大吗？

不同大小的擦除单位，适用于不同的场景。常见的SPI Flash（如Winbond W25Q系列）通常支持以下几种擦除方式：

擦除类型	典型大小	命令代码	使用场景
Page Program	256字节	—	最小写入单位
Sector Erase	4KB	`0x20`	✅ 推荐常用
Block Erase (32KB)	32KB	`0x52`	大块清理
Block Erase (64KB)	64KB	`0xD8`	快速批量清除
Chip Erase	整片	`0x60`/`0xC7`	出厂初始化

其中，4KB扇区擦除是最实用的选择。原因如下：

太小→ 频繁调用影响性能
太大→ 容易误伤无关数据
4KB正好→ 匹配大多数文件系统块大小，便于管理

举个例子：你想更新一段固件，它刚好占用了两个完整的4KB扇区。这时候你就只需要分别擦除这两个扇区，然后重新编程即可，不会影响其他区域的数据。

⚠️ 注意：擦除是以扇区为单位进行的，即使你只想改几个字节，也得把整个4KB都擦掉！

扇区擦除是怎么工作的？一步步看透指令流

我们以最常见的W25Q64为例，来看看一次标准的4KB扇区擦除是如何完成的。

第一步：发送“写使能”信号（Write Enable）

这是最关键的前置步骤！每次执行写或擦除前，都必须先告诉Flash：“我要开始写了”。

spi_flash_write_enable();

对应的SPI操作是：
- 拉低片选（CS# → LOW）
- 发送命令0x06
- 拉高片选（CS# → HIGH）

这个动作会设置状态寄存器中的WEL位（Write Enable Latch）为1。如果跳过这步，后续的擦除命令将被忽略。

第二步：发起扇区擦除命令

接下来才是真正的擦除指令：

SPI_CS_LOW; spi_send_byte(0x20); // Sector Erase 命令 spi_send_byte((addr >> 16) & 0xFF); // 地址高8位 spi_send_byte((addr >> 8) & 0xFF); // 中间8位 spi_send_byte(addr & 0xFF); // 低8位 SPI_CS_HIGH;

注意：
- 地址必须是24位格式
- 实际生效的扇区由地址所在的4KB边界决定（即地址对齐到4096字节）

例如，向地址0x0001_0100发起擦除，实际上会影响整个0x0001_0000 ~ 0x0001_0FFF的扇区。

第三步：等待擦除完成

擦除不是瞬间完成的！典型4KB扇区需要30~40ms才能结束。在这期间，Flash处于“忙”状态，不能再接收其他命令。

如何判断是否完成？轮询状态寄存器：

uint8_t spi_flash_is_busy(void) { uint8_t status; SPI_CS_LOW; spi_send_byte(0x05); // Read Status Register status = spi_receive_byte(); SPI_CS_HIGH; return (status & 0x01); // BUSY位 = bit[0] }

只要BUSY == 1，就说明还在擦。你可以这样等待：

while (spi_flash_is_busy()) { // 可在此处喂狗、处理低优先级任务 }

💡 提示：有些高端Flash支持“擦除暂停”功能（Erase Suspend），允许你在长时间擦除过程中临时响应读请求，适合实时性要求高的系统。

关键寄存器详解：读懂Flash的“心跳”

SPI Flash的状态寄存器就像是它的“生命体征监测仪”，里面藏着几个至关重要的标志位：

位号	名称	含义
SR[0]	BUSY	1=正在擦/写，0=空闲
SR[1]	WEL	1=已启用写操作（由0x06置位）
SR[2:5]	BP[0:3]	块保护位，防止误操作
SR[7]	QE	Quad Enable，启用四线模式

这些位决定了你能做什么、不能做什么。

比如，如果你发现某个扇区无论如何都无法擦除，很可能是BP位被设置了写保护。这时你需要先清除保护：

// 清除块保护（需先write enable） spi_flash_write_enable(); SPI_CS_LOW; spi_send_byte(0x01); // Write Status Register spi_send_byte(0x00); // 设置SR=0x00（关闭保护） SPI_CS_HIGH;

当然，这样做有风险——万一不小心擦了Bootloader怎么办？所以在实际项目中，建议只在调试阶段开放全局解锁，正式版本应固定保护关键区域。

安全擦除封装：别让一次失误毁掉整台设备

直接裸奔调用擦除函数太危险了。我们应该把它包装成更健壮的形式。

int flash_safe_erase_sector(uint32_t addr) { // 1. 检查地址合法性 if (addr >= FLASH_CAPACITY || addr % SECTOR_SIZE != 0) { return -1; // 地址越界或未对齐 } // 2. 检查是否属于受保护区域（如Bootloader区） if (addr >= BOOT_START_ADDR && addr < BOOT_END_ADDR) { return -2; // 禁止擦除引导区 } // 3. 启用写操作 spi_flash_write_enable(); // 4. 执行擦除 SPI_CS_LOW; spi_send_byte(0x20); spi_send_byte((addr >> 16) & 0xFF); spi_send_byte((addr >> 8) & 0xFF); spi_send_byte(addr & 0xFF); SPI_CS_HIGH; // 5. 等待完成（带超时机制） uint32_t start_time = get_tick_ms(); while (spi_flash_is_busy()) { if (get_tick_ms() - start_time > 50) { // 超过50ms视为失败 return -3; } feed_watchdog(); // 防止看门狗复位 } return 0; // 成功 }

这个函数加入了三大防护：
- 地址合法性检查
- 区域保护判断
- 超时检测 + 看门狗喂狗

这才是工业级代码应有的样子。

实战应用场景：OTA升级中的擦除逻辑

假设你要实现一个FOTA（空中升级）功能，流程大致如下：

1. 下载新固件 → 存入临时缓冲区（如SRAM或另一块Flash分区） 2. 定位旧固件所在扇区范围 3. 逐一擦除目标扇区 4. 分页写入新固件（Page Program） 5. 校验CRC 6. 更新启动标志，下次启动加载新固件

在这个过程中，扇区擦除是不可逆的关键节点。一旦开始擦除，旧固件就没了。如果后续断电或传输中断，设备可能变砖。

因此，成熟的做法是采用双区备份机制（A/B更新）：

当前运行A区，新固件写入B区
擦除B区前无需担心破坏当前系统
写完并校验成功后，切换启动指针

这样即使失败也能自动回滚，极大提升可靠性。

常见错误排查清单

现象	可能原因	解决方案
擦完读出来不是0xFF	擦除未完成就读取	加入状态轮询等待
擦除命令无效	忘记发Write Enable	每次擦前加`0x06`
特定扇区无法擦除	BP位开启保护	检查状态寄存器设置
MCU死机	擦除耗时导致看门狗超时	循环中喂狗
数据混乱	多任务并发访问	使用互斥锁保护Flash操作