Wear leveling своими руками: запись по кругу с маркером

Конфиг, который меняется раз в час, гарантия ячейки переживает спокойно — 11.4 года по прикидке прошлого урока. Но стоило уличному светильнику пересчитывать расписание каждые десять минут, как счётчик перезаписей показал 52560 за первый год: до конца гарантии полтора года. EEPROM.update здесь бессилен — значение меняется по-настоящему, цикл тратится честно. Уменьшать частоту было нельзя: расписание и есть функция устройства.

Выход известен со времён первых флешек: не бить в одну ячейку, а размазать запись по нескольким. Это и есть wear leveling, выравнивание износа. В фирменных библиотеках он встроен всегда; для внутренней EEPROM Uno его несложно собрать руками, и это один из самых благодарных приёмов раздела: восемь слотов дают восьмикратный запас, цена — пара десятков байтов и полчаса кода. Под словами «примерно в N раз» скрывается одна оговорка про сам маркер — к ней идём сразу.

Разберём механику по шагам: круг из слотов, маркер последней записи, который сам не должен износиться первым, порядок записи на случай пропадания питания и арифметику запаса. Родственник приёма у нас уже есть — кольцевой журнал показаний: правила те же, но журналу простительно битое место в истории, а конфиг обязан быть валиден в каждый момент. Разница видна на границе пропадания питания: журнал может потерять последнюю строку, а конфиг обязан пережить её вообще без потерь.

Идея помещается в одну строку: под конфиг отводится N слотов одинакового размера, каждая запись идёт в следующий по кругу, ресурс растёт примерно в N раз. После включения питания плате нужно найти свежий слот — значит, в памяти живёт маркер. Самый соблазнительный вариант — отдельная ячейка с номером последнего слота — плохой: она перезаписывается при каждом сохранении и умирает первой, раньше всех слотов круга. Круг, размазавший износ по восьми ячейкам, убитый маркером в девятой, — типовой промах первой реализации.

Рабочее решение — маркер внутри самого слота: поле «поколение», порядковый номер записи. Свежий слот — тот, у которого поколение старше; после старта это проход по восьми байтам. Отдельная ячейка-счётчик не нужна, и износ размазался в том числе по маркерам. Именно так устроены библиотеки: в лаборатории WearLeveling на docs.arduino.cc позиция помечается даже не байтом, а одиночными битами контрольных байтов, у библиотеки EEPROMWearLevel с GitHub та же идея.

Сколько слотов брать — компромисс байтов и лет. Круг из четырёх стоит 12 байтов и даёт четырёхкратный запас: его хватает, если записи реже раза в десять минут. Восемь — моя рабочая цифра для конфигов: 24 байта на Uno не жалко, а жизнь растягивается на порядок. Больше шестнадцати на внутренней памяти смысла мало — дешевле переехать на внешнюю микросхему, где слоты меряются сотнями.

Первая грабля — порядок записи внутри слота. Значение пишем раньше поколения: если питание пропадёт между двумя записями, слот останется со старым поколением и недописанным конфигом, и поиск свежего его проигнорирует. Платформа продолжит работать на прошлом валидном конфиге — просадка питания перестаёт быть катастрофой. Кто хочет гарантий байт-в-байт — вешает поверх поколения контрольную сумму, механика из урока про CRC настроек.

Отдельно про время. Запись одного байта внутренней EEPROM занимает около 3.3 мс по даташиту ATmega328P, и круг этого не меняет: за раз вы пишете один слот. Но если конфиг из десятков полей, цикл записи растягивается на десятки миллисекунд, и loop это почувствует: тяжёлые конфиги пишите страницей и планируйте запись через millis, а не посреди замера датчика.

Вторая грабля — потолок поколения. Байт вмещает номера до 255, и на подходе к потолку круг обнуляют: маркеры всех слотов стираются, нумерация начинается с единицы. При восьми слотах это случается раз на 250 оборотов, то есть на два миллиона записей — при записи раз в десять минут первые 38 лет обнуления не дождаться. Третья грабля — размещение: восемь слотов по три байта — 24 байта, и их стоит развести с журналом и калибровками по карте памяти на 1 КБ, чтобы круг не наступил на соседей.

Арифметика запаса линейная: N слотов умножают и ресурс, и годы. Восемь слотов — 800000 циклов: конфиг с записью раз в десять минут растягивается с 1.9 года до 15, раз в минуту — с 70 дней до года и четырёх месяцев. Шестнадцать слотов — 1600000 циклов и 48 байтов: на Uno это уже ощутимо, но всё ещё честно. Дальше по кругу: вдвое больше байтов — вдвое дольше жизнь, и никакой магии между ними нет.

Обратная ситуация: если конфиг меняется только в меню настройки раз в сезон, круг — лишний код. Счётчик перезаписей из прошлого урока дешевле и честнее покажет, что ресурс уходит со скоростью, которой хватит на десятилетия. Я ставлю круг тогда, когда частота записи переваливает за раз в сутки, а не раньше: до этого порога хватает update и счётчика.

Отдельная строка про ESP32: там самодельный wear leveling не нужен. И EEPROM-обёртка, и Preferences на ESP32 сидят поверх NVS, которая размазывает износ сама — как устроено это хранилище и что оно умеет сверх байтов, разобрано в уроке про Preferences на ESP32. Приём этого урока — для восьмибитных плат и внешних микросхем, где раскладкой памяти распоряжаетесь вы.

Когда ресурс нужен на порядки выше, запись уезжает на внешнюю микросхему — страница записи и раскладка на 24C256 разобраны в уроке про страницы записи: износ размазывается уже по тридцати двум килобайтам, и круг перестаёт быть насущным.

Перед переездом проверьте круг на столе: отключите питание платы посреди сохранения — после старта конфиг должен вернуться прежним, а не мусором. У меня именно этот тест однажды показал, что я писал поколение раньше значения: восемь месяцев круг молча хранил испорченный слот в самом свежем поколении. А последний типовой вопрос серии ждёт каждый новый проект: что делает скетч, когда память вообще ещё не трогали, — свежие 0xFF, версия конфига и дефолты первого запуска разбираются в следующем уроке.