EEPROM: память, которая живёт без питания

Терморегулятор инкубатора я собрал за вечер: DHT22 на пине 2, реле на нагреватель, целевая температура на экране. Первую неделю всё шло отлично — тридцать восемь и ноль с точностью до десятой. Потом ночью в сарае сверкнула гроза, свет мигнул, и плата стартовала заново. Целевую температуру она забыла и выставила заводской дефолт. К обеду инкубатор грел до двадцати восьми, а яйца лежали в холоде шесть часов, пока я не заглянул. Плату я тогда винил зря: она не сломалась — ей просто негде было хранить настройку.

Переменная с целевой температурой жила в оперативной памяти. Оперативная память работает, только пока на неё подано питание: свет мигнул — содержимое ушло, и скетч стартовал с нулями и дефолтами. Это не дефект конкретной платы, а устройство любого компьютера, от ардуинки до ноутбука: выключил питание — оперативка пуста.

Но внутри того же чипа ATmega328P есть отдельный отсек, которому питание не нужно: EEPROM — энергонезависимая память объёмом 1024 байта. Она помнит данные годами при полностью вынутом проводе, а скетч может читать и писать её двумя-тремя командами. Правда, у отсека свои правила: запись медленная, ресурс каждой ячейки ограничен, а пустая ячейка читается неожиданным числом 255.

В этом уроке — карта всех трёх памятей платы, физика того, почему EEPROM живёт без розетки, и честные числа: сколько лет хранится записанное и на сколько циклов записи хватает ячейки. Симулятор поддерживает EEPROM.read, EEPROM.write, EEPROM.update и EEPROM.length(), причём значения переживают перезапуск — так что эксперимент «выключил — включил — всё на месте» можно проделать прямо на этой странице.

В Arduino Uno три вида памяти, и путать их дорого. Flash, 32 КБ, хранит сам скетч: он остаётся в чипе десятилетиями, но писать в него из работающей программы не принято — так можно повредить загрузчик и окирпичить плату. SRAM, 2 КБ, — рабочая память: переменные, стек, буферы Serial. Быстрая и удобная, но она существует, только пока есть питание: пропал вольтаж — и содержимое исчезло за мгновение.

EEPROM, 1 КБ, — третий мир: 1024 байта внутри того же чипа, доступные программе и не зависящие от питания. Один адрес — один байт, числа от 0 до 255; адреса идут от 0 до 1023. Больше байта в ячейку не влезет физически, а числа крупнее приходится раскладывать по соседним адресам — приём мы разобрали в уроке про счётчик включений, а типы и их потолки раскладывали ещё в уроке про переменные и типы.

Размер зависит от платы, и это стоит знать до переноса проекта: у Uno и Nano — 1024 байта, у Mega — 4096, у Leonardo — 1024. Чтобы код не приходилось править руками при переезде, спрашивайте у платы: EEPROM.length() вернёт точное число ячеек конкретного чипа.

Практическая карта такая: во Flash лежит программа, в SRAM живут переменные текущей работы, в EEPROM — то, что должно пережить розетку: настройки пользователя, калибровки, счётчики. Отсюда и правило выбора: настройку — в EEPROM, измерение текущей секунды — в SRAM, а если измерений слишком много для 1024 байтов — им место на SD-карте, о чём есть отдельный урок про логирование.

Почему EEPROM помнит без питания, а SRAM — нет, объясняется физикой ячейки. В EEPROM каждый бит — транзистор с плавающим затвором: крошечный карман изолятора, в который при записи перекачивается заряд. Вокруг кармана — диэлектрик, и заряд заперт в нём без всякой подпитки: столько, сколько нужно, хоть сотню лет. SRAM устроена иначе: бит там держит пара транзисторов, которая обязана питаться каждую микросекунду, — питание кончилось, пара распалась, ноль.

Обратная сторона запертого заряда — цена доставки. Чтобы записать байт, заряд приходится прокачивать сквозь тонкий оксидный слой, и каждый проход понемногу этот слой старит. Производитель гарантирует около 100000 циклов записи на ячейку. Чтение заряда не трогает вовсе: читайте хоть миллион раз в секунду — ячейке всё равно. Изнашивает только запись.

Два числа из даташита Atmel стоит выучить и не путать. Удержание данных: около 100 лет при 25 °C, около 20 лет при 85 °C — столько хранится однажды записанное. Ресурс перезаписи: гарантированные 100000 циклов на ячейку. Заметьте: это гарантия производителя, то есть нижняя граница. Реальные ячейки в любительских тестах переживают заметно больше, но проектировать надо по паспорту: экономия на одном байте не оправдывает скетч, который однажды молча потеряет настройки.

Железный список «да» для EEPROM: настройки, которые меняет человек — целевая температура, яркость, громкость; калибровки — сдвиг нуля датчика, коэффициент весов; счётчики тихих событий — включения платы, циклы фильтра; и контрольный байт, по которому скетч понимает, что память уже настроена. Всё это меняется редко, и ячейки при такой жизни живут годами.

Список «нет» такой же железный. Потоковые логи и показания раз в секунду — их место на SD-карте: EEPROM такого темпа не выдержит и объёмом не вытянет. Большие массивы — 1024 байта это примерно полторы страницы текста, а не архив. Пароли — EEPROM читается программатором за минуту, это не сейф. И всё, что требует записи чаще раза в минуту.

В этом разделе мы уже сохраняли яркость ночника и собирали счётчик включений — теперь понятно, почему оба проекта вообще работают: яркость и счётчик лежали в том самом отсеке на 1024 байта. Ниже — минимальный скетч, который знакомится с памятью платы: спрашивает её размер, проверяет контрольный байт и печатает содержимое первых ячеек.

EEPROM.length() на Uno вернёт 1024, на Mega тот же скетч напечатает 4096 — код подстроился сам. Строка dlina=1024 — та самая пара имя=значение из первого урока про монитор порта, на которой построена вся читаемость Serial в этом самоучителе. EEPROM.read(100) до первой настройки вернёт 255, и ветвление из урока про if/else это ловит: пишет контрольное число 170. Цикл for печатает ячейки 0–4: на свежей плате все покажут 255 — пустая EEPROM состоит из одних единичных битов.

Число 170 выбрано не для красоты: в двоичном виде это 10101010, чередование нулей и единиц видно даже в дампе памяти. После записи при перезапуске строка о первом запуске не появится: контрольный байт найден, память инициализирована. На этом приёме держится вся работа с настройками: по magic-байту скетч отличает новую плату от уже сконфигурированной.

Обратите внимание, чего в скетче нет: записи в loop(). Память тронули один раз — при старте, по необходимости. Это не перестраховка, а прямое следствие ограниченного ресурса, к которому мы сейчас и перейдём.

Итоговые две цифры урока и как ими пользоваться. Удержание: записанное переживёт розетку примерно на 100 лет при комнатной температуре — заботиться о выживании не нужно, оно и так есть. Ресурс: каждая ячейка выдерживает гарантированные 100000 записей, и тратит их только запись — значит, весь вопрос бережливости сводится к тому, как часто вы пишете.

Отдельный нюанс для честных экспериментов на реальной плате: нажатие Reset выживание памяти не проверяет — скетч просто перезапускается, питание не пропадало. Выдёргивайте питание целиком: USB, затем снова. В симуляторе та же процедура выглядит как Стоп и повторный запуск — EEPROM между запусками сохраняется.

Про плату в сарае при минус тридцати тоже спокойно: холод удержанию не вредит, из даташитных условий страшна жара — уже при 85 °C срок падает с сотни лет до двадцати. Для бытовой электроники это академично, но знать границу полезно: автомобильный салон летом ближе к верхней цифре, чем кажется.