フラッシュ／EEPROMと摩耗管理

フラッシュはなぜ「そのまま上書き」できないのか

マイコンのプログラムを保持するフラッシュも、設定値を貯める EEPROM も、電源を切っても内容が消えない 不揮発メモリ です。しかし RAM のように「好きな番地へ好きな値を即座に書く」ことはできません。フローティングゲートに電荷を出し入れして 1 ビットを表すという物理のため、書換えには次の非対称な制約が付きます。この制約こそが、以降で扱うウェアレベリングや EEPROM エミュレーションのすべての出発点です。フラッシュや SRAM が 1 チップに載る全体像は /embedded/microcontroller-architecture/ を参照してください。

• 消去は 1、書込みは 0 方向の一方通行：消去するとビットは 1（未書込み）に戻り、書込み（プログラム）は 1 から 0 へしか落とせない。0 になったビットを 1 に戻すには、再び消去するしかありません。
• 消去は粗く、書込みは細かい：書込みはワード〜ページ単位で行える一方、消去はそれよりずっと大きい ブロック（セクタ）単位 でしかできません。1 バイトを書き換えたいだけでも、その1バイトを含むブロック全体を一度消さねばならないのです。
• 時間が桁違い：読出しは数十 ns、書込みは数十〜数百 µs、消去はミリ秒オーダー。消去が最も遅く、消費電流も大きい。

書換え寿命：P/E サイクルという有限資源

フラッシュ／EEPROM のセルは、消去と書込みを繰り返すたびに絶縁膜（トンネル酸化膜）が少しずつ劣化します。電荷の出し入れで膜にストレスが蓄積し、やがて電荷を正しく保持できなくなる。この摩耗の単位が P/E サイクル（Program/Erase cycle、消去・書込み回数） です。寿命はブロックあたりの P/E サイクル数で規定され、代表値は次のとおりです。

重要なのは、これが ブロック単位の消耗 だという点です。もし設定値をいつも同じ 1 ブロックに上書きし続ければ、そのブロックだけが集中的に P/E を消費し、他のブロックが新品同然でも先に寿命を迎えます。これが 局所摩耗（localized wear） です。たとえば 10 万回耐性のブロックへ 1 秒ごとに書けば、単純計算で 100000 / 86400 ≒ 約 1.16 日で摩耗限界に達してしまいます。個々のセルは丈夫でも、書込みの偏りが機器全体の寿命を決めるのです。

ウェアレベリング：摩耗を全ブロックへ均す

ウェアレベリング（wear leveling） は、書込みを特定ブロックに集中させず全ブロックへ均等に散らすことで、フラッシュ全体の実効寿命を最大化する手法です。原理は単純で、「同じ論理データでも、書くたびに物理ブロックを変える」——論理アドレスと物理ブロックの対応を固定せず、書込みごとに摩耗の少ない物理ブロックへ振り直します。この論理と物理の対応表が 論理・物理変換（L2P マッピング） です。方式は大きく2つに分かれます。

理想的にウェアレベリングが効けば、実効寿命はおおよそ「1ブロックの P/E 耐性 × ブロック数 ÷ 書込み量」まで伸びます。1 ブロックしか使わなければ 10 万回で終わる書込みが、1000 ブロックへ均等に散れば原理的には 1 億回まで耐えられる計算です。

局所摩耗 vs ウェアレベリング（10万回耐性・書込み総数が同じ場合）

  [固定番地へ上書き]
    ブロック0: ■■■■■■■■■■ 100000回 → 摩耗死  ← ここだけ集中
    ブロック1: ................      0回（新品のまま無駄に）
    ...
    → 全体としては未使用だらけなのに機器は寿命

  [ウェアレベリングで分散]
    ブロック0: ■.........  10000回
    ブロック1: ■.........  10000回
    ...(全10ブロックへ均等)...
    → どのブロックも余裕。実効寿命がブロック数倍に

書込みを別ブロックへ振り直すと、古い無効データの入ったブロックが虫食い状に増えます。これを消去して空きへ戻す回収処理が ガベージコレクション で、有効データを別ブロックへ退避してから元ブロックを消去します。この「書込みを分散した結果、実際のフラッシュ書込み量が上位から要求された量より増える」度合いを ライトアンプリフィケーション（書込み増幅） と呼び、これが大きいほど寿命を余計に食う点に注意が要ります。

EEPROM エミュレーション：フラッシュを EEPROM のように使う

多くのマイコンは専用 EEPROM を持たず、設定値の保存にもプログラム用フラッシュを流用します。ところがフラッシュは前述のとおり「1 バイトだけ書き換える」のが苦手で、素朴にやるとブロック全消去が要ります。そこで、フラッシュ上に EEPROM 相当の「バイト単位で更新できる不揮発ストレージ」を仮想的に作る手法が EEPROM エミュレーション です。

鍵となる発想は 追記型ログ（ログ構造） です。値を更新するとき、古いレコードをその場で書き換えるのではなく、新しいレコードを空き領域へ追記 します。フラッシュは「消去済み（全ビット 1）の領域へ 0 を書き込む」ことなら消去なしにできるため、追記は消去を伴いません。読出し時は、同じキーを持つレコードのうち 最も新しいもの を最新値として採用します。

EEPROM エミュレーション：値の更新は「追記」で行う

  2ページ(ブロック)を用意し、片方をアクティブに使う

  ページA (active)                       意味
    [key=温度しきい値, val=25, ver=1]     ← 最初の書込み
    [key=カウンタ,     val=100, ver=1]
    [key=温度しきい値, val=30, ver=2]     ← 上書きではなく追記
    [key=カウンタ,     val=101, ver=2]    ← さらに追記
    [ (空き: 全ビット1) ]                  ← 次の追記先

  読出し(温度しきい値) → 同キーで最大 ver の val=30 を返す

  ページが満杯 → ガベージコレクション:
    1. 各キーの最新レコードだけをページB へコピー
    2. ページA を一括消去（全ビット1に戻る）
    3. B を active、A を予備に役割交代（ページ入替 / ページスワップ）

この構造には二重の利点があります。第一に、追記のたびに書く物理位置がページ内を前進していくので、自然に書込みが分散し、ページ単位でのウェアレベリングが働きます。第二に、後述する電源断耐性が得やすい——古いレコードを消さずに新レコードを足すだけなので、追記の途中で電源が落ちても、それ以前の完全なレコードはすべて無傷で残ります。ページが満杯になったら最新レコードだけを予備ページへ集約して古いページを消す ページスワップ で容量を再生します。フラッシュの物理レジスタやビット操作を直接叩く際の注意（volatile、読み書き順序）は /embedded/memory-mapped-io/ を参照してください。

電源断とデータ保全：書き切ってから捨てる

組込み機器はいつ電源が落ちるか分かりません。書込みや消去は前述のとおりミリ秒単位で時間がかかるため、その最中の電源断は現実的な脅威です。不揮発メモリの一貫性を守る大原則は一つ、「新しいデータを別領域へ完全に書き切ってから、初めて古いデータを無効化する」 ——更新をこの順序に固定することです。逆順（古い方を消してから新しい方を書く）にすると、その隙間で電源が落ちた瞬間に「新旧どちらのデータも存在しない」空白が生まれ、設定が失われます。

この順序制約は、/embedded/bootloader-ota-update/ が扱う A/B バンク更新と同じ思想です。あちらは実行イメージ全体、こちらは設定レコード1件と粒度は違えど、「現用面を壊さず別面へ書き、原子的な切替で確定する」構造は共通します。EEPROM エミュレーションの追記型がまさにこれで、旧レコードを残したまま新レコードを追記し、最後に世代番号で最新を指し示すことで切替を果たします。

電源断に安全な更新順序（追記型の場合）

  ① 新レコードを空き領域へ書き込む（版数 ver=n+1 付き）
        └ ここで電源断 → 新レコードは半端。だが旧 ver=n は無傷
           → 起動時、半端レコードを弾き ver=n を最新として復旧
  ② 新レコードの「有効」フラグを立てる（1→0 の1ビット書換え、原子的）
        └ ここで電源断 → ①まで完了。復旧処理で有効化をやり直せる
  ③ （任意）古いレコードに「無効」フラグを立てる or GC で回収
        └ ここで電源断 → 新旧が両方見えるが、版数で新を選べば一貫

  不変条件: どの時点で落ちても『完全で最新のレコード』が最低1つ残る

電源断からの復帰では、起動直後に不揮発ストレージ全体を走査し、半端なレコードや中断された消去を検出して安定状態へ戻す リカバリ処理 が要ります。この「起動時の自己修復」を、暴走検出でリセットをかける番犬タイマ（/embedded/watchdog-timer/）と組み合わせれば、書込み中ハングも電源断も同じ「起動時に整合性を取り直す」枠組みで扱え、機器は自力で健全な状態へ復帰できます。

まとめ

• フラッシュ／EEPROM は 書込みが 1→0 の一方通行 で、0 を 1 に戻すには粗い ブロック単位の消去 が要る。読み・書き・消しで単位も時間も食い違うこの非対称が、以降の全手法の出発点。
• 寿命は ブロックあたりの P/E サイクル で決まり、同じ番地への上書きは 局所摩耗 で機器を早死にさせる。寿命を左右するのはセルの耐性より 書込みの偏り。
• ウェアレベリング は書込みを全ブロックへ均し、実効寿命をおおよそブロック数倍まで伸ばす。書込みを散らすと同時に 差分検出・バッファリング で回数自体を減らし、ガベージコレクションと ライトアンプリフィケーション も見込む。
• EEPROM エミュレーション はフラッシュ上に追記型ログを作り、上書きせず新レコードを追記して最大版数を最新とする。追記は消去を伴わず、電源断耐性とページ単位のウェアレベリングを同時に得る。
• 電源断耐性の大原則は 「別領域へ書き切ってから古い方を無効化する」 順序。版数と状態フラグでどの時点の電源断でも完全・最新のレコードが1つ残るよう設計し、起動時のリカバリで整合性を取り直す。