Расчёт износа: как часто можно писать

Термометр для коптильного цеха я отдал заказчику с журналом показаний в EEPROM: раз в десять секунд прибор дописывал текущую температуру в таблицу — аккуратный журнал на сотни значений. На моём столе прибор жил неделями. Через двенадцать суток пришёл звонок: температуры замерли на одном числе, кнопки работают, журнал стоит. Я открыл скетч и посчитал то, что следовало посчитать до отгрузки: 100000 циклов ресурса на запись раз в десять секунд — 278 часов, одиннадцать с половиной суток. Ячейка умерла по расписанию, которое я не составлял.

Цифру 100000 я, конечно, знал — урок про ресурс прочитан давно и внимательно. Но знание без умножения на период бесполезно, как расход топлива без километража: граница между «пишет мало» и «пишет много» решается только формулой, а не ощущением. С тех пор в шапке любого проекта с EEPROM у меня живёт одна строка расчёта и одна таблица сценариев — они и составляют этот урок. Строка занимает полминуты, а экономит месяцы отладки и один неловкий разговор с заказчиком.

План такой: выведем формулу срока жизни ячейки через период записи, посчитаем её для реальных сценариев — от антипримера раз в десять секунд до моточасов раз в шесть минут, — потом удвоим и удесятерим срок кольцом из ячеек и разберём, где хранить его голову, чтобы кольцо не породило новую жертву.

EEPROM в симуляторе не эмулируется — модель памяти это массив в скетче. В сим-блоке десять ячеек пишутся по кругу, ползунок A0 задаёт период записи от одной до десяти секунд, Serial печатает счётчик записей каждой ячейки и прогноз в днях. Порог смерти ячейки сжат со 100000 до восьми записей — добралась до лимита, пискнул зуммер D8.

Срок жизни ячейки — это ресурс, делённый на частоту записи, а частота — обратная величина периода. Практическая форма: срок = 100000 × период записи. Раз в десять секунд: миллион секунд — 278 часов, те самые одиннадцать суток из истории. Раз в 360 секунд: 36 миллионов секунд — 10 000 часов, около 1,1 года непрерывной работы. Раз в час — 11,4 года. Раз в день — 274 года. Одна цифра периода меняет исход на порядки, и это чистое умножение без всякой магии.

Формула работает и в обратную сторону, и это её самая полезная форма на этапе проектирования. Прибор должен писать раз в минуту и прожить год — разделите ресурс на часы года: 100000 на 8760 — получится одиннадцать с половиной записей в час, то есть раз в пять с лишним минут. Не влезает — либо режьте частоту, либо закладывайте кольцо и делите износ на его длину. Пять минут расчёта до пайки экономят ячейку и репутацию после.

К каждому числу прилагается условие «непрерывно». Моточасы из прошлого урока с шагом 360 секунд у насоса, который качает четыре часа в сутки, истощают ячейку в шесть раз медленнее — свыше шести лет вместо одного. Прибор с записью раз в десять секунд, но работающий час в день, протянет 278 дней. Формула честная, но подставлять в неё надо реальное расписание прибора, а не худший случай из головы — обычно они различаются в разы, и в вашу пользу.

Update-семантика математику не отменяет: update пропускает только неизменившиеся значения, а счётчик секунд меняется каждую секунду — все его записи настоящие, ресурс тратится по полной. Скидка update работает на настройках, которые меняются редко; на растущем счётчике экономить нечего. Единственная ручка, которая остаётся, — период, и ниже мы сожмём его из антипримера в норму.

Кольцевое распределение износа — самодельный wear leveling. Заводим десять блоков и пишем по кругу: сегодня шаг уезжает в блок 3, через шесть минут — в блок 4, и так до блока 9, потом снова на 0. Каждая ячейка принимает десятую долю записей и живёт в десять раз дольше: 1,1 года превращаются в одиннадцать, а запись раз в минуту — из 69 дней в почти два года. Цена вопроса — десять блоков по четыре байта, сорок ячеек из 1024.

Хитрая часть — голова кольца. Первая мысль «отдельная ячейка с номером блока» разбивается о ту же формулу: указатель меняется при каждой записи, значит изнашивается в десять раз активнее всех блоков, — кольцо породит новую жертву ровно там, где её не ждали. Решение без указателя: во всех блоках хранится одно нарастающее значение счётчика, и голова — блок с максимумом. При старте читаем все десять, находим максимум, пишем в следующий за ним. Отдельной ячейки нет, износ ровный, а чтение — если помните урок про память без питания — ресурсу не вредит вовсе.

Сборка значений при чтении — в long, как в счётчике включений: 255 × 256 в знаковый int не влезает. И не забудьте про первую инициализацию: свежая память читается всеми 255, и максимум из десяти таких блоков сломает счёт на первом же старте — magic-байт и обнуление кольца при первом запуске обязательны. Длина кольца тоже выбирается по формуле: хотите двукратный запас — берите два блока, хотите годам двадцать — двадцать блоков съедят восемьдесят ячеек, и это всё ещё меньше десятой части килобайта.

Смотрите, как ложатся числа на скетч: шаг 360 секунд по кольцу из десяти блоков — каждая ячейка получает запись раз в час и живёт 11,4 года. Тот же поток в одну ячейку — год и два месяца. Разница — сорок байтов и один цикл поиска максимума, который выполняется раз в шесть минут и съедает микросекунды. Чтение десяти блоков при старте — сорок обращений, которые ресурсу безразличны.

И граница метода, чтобы без иллюзий. Кольцо умножает срок на число блоков, но не отменяет формулу: журнал раз в десять секунд по кольцу из десяти — это 278 часов × 10 = 116 суток. Больше, чем одиннадцать, но меньше года — потоковой записи такого темпа в EEPROM не место, её дорога на SD-карту или во внешнюю память. Кольцо спасает счётчики, моточасы и периодические итоги, а не журналы.

Кольцо отлично стыкуется с моточасами из прошлого урока: если шести минут вам мало и сбой терять жалко, раскладывайте шаг по кольцу из четырёх блоков — ресурс вырастет вчетверо, до четырёх с лишним лет непрерывной работы, а потеря при сбое останется на уровне шага. Мой насос так и живёт: шаг 360 секунд по кольцу из четырёх — считать придётся так же, а обслуживать ячейку — через одно поколение плат.

Тройка сложилась в полный расчётный набор: массив раскладывает однотипные значения по адресам, моточасы выбирают период, формула переводит период в годы. Дальше эти блоки стоит укрепить: контрольная сумма из урока про протоколы поймает гибрид после сбоя, а перезапуски и watchdog из урока про таймеры и сон покажут, когда счётчику приходится восстанавливаться. Считайте ресурс до запуска — и мои 278 часов останутся историей, а не вашим сервисным журналом.