提高M(jìn)SP430G 系列單片機(jī)的Flash 擦寫壽命的方法

摘要

在嵌入式設(shè)計(jì)中，許多應(yīng)用設(shè)計(jì)都需要使用EEPROM 存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)，由于成本原因，某些單片機(jī)在芯片內(nèi)部并沒(méi)有集成EEPROM。MSP430G 系列處理器是TI 推出的低成本16 位處理器，在MSP430G 系列單片機(jī)中并不具備EEPROM。為了存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)，MSP430G 系列處理器在芯片內(nèi)部劃分出了256 字節(jié)的Flash 空間作為信息Flash，可用于存儲(chǔ)非易失性數(shù)據(jù)，但是由于Flash 與EEPROM 在擦寫壽命上存在一定差距，所以在實(shí)際應(yīng)用中，這種應(yīng)用方式并不能夠滿足所有客戶的需求。本應(yīng)用筆記介紹了使用代碼區(qū)域Flash 來(lái)模擬EEPROM，通過(guò)一定的軟件處理算法，可以大大增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期的一種方法。本文給出了實(shí)現(xiàn)上述功能的軟件流程。

1. 嵌入式Flash 存儲(chǔ)介質(zhì)與EEPROM 的主要特性對(duì)比

電可擦除和編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)是在絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用中都會(huì)使用到的用于保存非易失性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵器件，用于在程序運(yùn)行期間保存數(shù)據(jù)。Flash 閃存(Flash Memory，簡(jiǎn)稱為Flash)是一種非易失性( Non-Volatile )存儲(chǔ)器，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式處理器中，用于存儲(chǔ)程序代碼。

由于硬件成本原因，在許多嵌入式處理器中并沒(méi)有集成 EEPROM 模塊，通常我們可以采用在片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器中保存非易失性數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式來(lái)達(dá)到使用要求。對(duì)一些普通的應(yīng)用場(chǎng)合，這種使用方式可以滿足要求。

1.1 寫訪問(wèn)時(shí)間

由于 EEPROM 和 Flash 的工作特性不同，所以寫訪問(wèn)時(shí)間也不相同。Flash 具有更短的寫訪問(wèn)時(shí)間，所以更適用于對(duì)存儲(chǔ)速度有要求的場(chǎng)合。

1.2 寫方法

外置EEPROM 和采用Flash 模擬EEPROM 的最大不同之處在于寫的方法。

EEPROM：對(duì) EEPROM 的寫操作不需要額外的操作，只需要提供電源供給;但是一旦啟動(dòng)寫操作流程后，寫操作不能夠被打斷。所以需要外接電容器等措施來(lái)保證在芯片掉電時(shí)能夠維持供電，保證完成數(shù)據(jù)操作。

Flash 模擬 EEPROM：當(dāng)芯片上電后，寫操作可以被電源掉電和芯片復(fù)位打斷。和 EEPROM 相比，需要應(yīng)用設(shè)計(jì)者增加相關(guān)的處理來(lái)應(yīng)對(duì)可能存在的異常。

1.3 擦寫時(shí)間

EEPROM 和采用Flash 模擬EEPROM 在擦除時(shí)間上存在很大的差異。

與 Flash 不同，EEPROM 在進(jìn)行寫操作之前不要擦除操作。由于 Flash 需要幾個(gè)毫秒時(shí)間進(jìn)行擦除操作，所以如果在進(jìn)行擦除操作的過(guò)程中出現(xiàn)電源掉電的情況，需要軟件做相關(guān)的保護(hù)處理。為了設(shè)計(jì)一個(gè)健壯的Flash 存儲(chǔ)器的管理軟件，需要深入的了解和掌握Flash 存儲(chǔ)器的擦除過(guò)程特性。

2. 增加Flash 模擬EEPROM 擦寫壽命的方法

可以根據(jù)用戶的需求采用不同的方法實(shí)現(xiàn)Flash 存儲(chǔ)器模擬EEPROM。

2.1 虛擬地址加數(shù)據(jù)方案

通常需要兩個(gè)頁(yè)以上的 Flash 空間來(lái)模擬 EEPROM。上電后，初始化代碼先查找出有效頁(yè)，同時(shí)將另外一個(gè)頁(yè)初始化為擦除狀況，以提供字節(jié)寫的能力，并用作備份和隨時(shí)準(zhǔn)備執(zhí)行寫入操作。需要存儲(chǔ) EEPROM 的變量數(shù)據(jù)首先寫入有效頁(yè)，當(dāng)有效頁(yè)寫滿后，需將所有數(shù)據(jù)的最后狀態(tài)保存到備份頁(yè)，并切換到備份頁(yè)進(jìn)行操作。每一頁(yè)的第一個(gè)字節(jié)通常用來(lái)指示該頁(yè)的狀態(tài)。

每個(gè)頁(yè)存在3 種可能狀態(tài)：

擦除態(tài)：該頁(yè)是空的。

已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài)：該頁(yè)已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備切換到下一個(gè)頁(yè)進(jìn)行操作。

有效頁(yè)狀態(tài)：該頁(yè)包含著有效數(shù)據(jù)并且標(biāo)示狀態(tài)尚未改變，所有的有效數(shù)據(jù)全部拷貝到了已經(jīng)擦除的頁(yè)。

下圖以采用兩個(gè)頁(yè)模擬EEPROM 的方式為例，描述了頁(yè)狀態(tài)字的在頁(yè)0 和頁(yè)1 之間的切換過(guò)程。

采用這種方式，用戶不知道數(shù)據(jù)刷新的頻率。

下面的圖例以采用兩個(gè)頁(yè)模擬 EEPROM 的應(yīng)用方式為例進(jìn)行描述。為了方便獲取模擬 EEPROM數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)內(nèi)容，每個(gè)存儲(chǔ)變量元素都在 Flash 里定義了一個(gè)操作單元，在該操作單元中對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)變量元素都分配一個(gè)虛擬操作地址，即一個(gè) EEPROM 操作單元包含一個(gè)虛擬地址單元和一個(gè)數(shù)據(jù)單元。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)單元內(nèi)容時(shí)，新的數(shù)據(jù)內(nèi)容和之前分配的虛擬地址一同寫入一個(gè)新的模擬EEPROM 存儲(chǔ)器單元中，同時(shí)返回最新修改的數(shù)據(jù)內(nèi)容。EEPROM 存儲(chǔ)單元格式描述如圖二。

使用虛擬地址加數(shù)據(jù)的方案總結(jié)如下。

• 為每一個(gè)目標(biāo)存儲(chǔ)變量分配一個(gè)虛擬地址，該虛擬地址需一同存入Flash 中。當(dāng)讀取存儲(chǔ)變量?jī)?nèi)容時(shí)，需根據(jù)該變量的虛擬地址搜索虛擬EEPROM 并返回最后更新的內(nèi)容。

• 在軟件處理上，需要記錄下一次寫入的物理目的地址;在每一次執(zhí)行寫入操作后，根據(jù)EEPROM存儲(chǔ)單元大小(操作粒度)，將目的操作指針自動(dòng)累加。

• 當(dāng)一個(gè)頁(yè)(Page)寫滿后，需要將所有變量的EEPROM 數(shù)據(jù)拷貝到下一個(gè)頁(yè)，再執(zhí)行該頁(yè)的擦除操作。

• 在嵌入式軟件處理上需加入合適的校驗(yàn)機(jī)制，保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)測(cè)Flash 是否已經(jīng)失效。

2.2 劃分子頁(yè)方案

在Flash 中劃分出至少2 個(gè)頁(yè)(Page)用作模擬EEPROM，根據(jù)應(yīng)用需求將需寫入EEPROM 進(jìn)行保存的變量數(shù)據(jù)劃分成一個(gè)定長(zhǎng)的數(shù)組(子頁(yè))，例如 16 個(gè)字節(jié)或者 32 字節(jié)，將頁(yè)劃分成若干子頁(yè)后，需對(duì) Flash 中的所有子頁(yè)按照地址順序進(jìn)行逐次編號(hào)。每個(gè)子頁(yè)的第一個(gè)字節(jié)通常用來(lái)指示該子頁(yè)的狀態(tài)，子頁(yè)狀態(tài)可以為：空、已寫入或者失效。

在芯片上電初始化時(shí)，首先查找出第一個(gè)尚未寫入數(shù)據(jù)的子頁(yè)，并進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在進(jìn)行寫 EEPROM操作時(shí)，應(yīng)用程序需將待寫入 EEPROM 子頁(yè)的所有數(shù)據(jù)按照事先約定好的順序整理好，再一次性將所有變量數(shù)據(jù)寫入空的子頁(yè)中，最后將模擬 EEPROM 的操作指針指向下一個(gè)空閑的子頁(yè)，等待下一次寫入。待將一個(gè)頁(yè)的數(shù)據(jù)寫滿后，再進(jìn)行一次擦除操作。需要處理好指向子頁(yè)的指針的跳轉(zhuǎn)。

每個(gè)頁(yè)存在3 種可能狀態(tài)：

擦除態(tài)：該頁(yè)是空的。

已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài)：該頁(yè)已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù)。

有效頁(yè)狀態(tài)：該頁(yè)包含著有效數(shù)據(jù)并且該頁(yè)尚未寫滿，仍可向子頁(yè)寫入數(shù)據(jù)。

圖三介紹了使用子頁(yè)的方式實(shí)現(xiàn)Flash 模擬EEPROM 的數(shù)據(jù)處理方法。

2.2.1 軟件描述

在軟件實(shí)現(xiàn)上，為了便于軟件處理，建議定義一些關(guān)鍵宏定義和結(jié)構(gòu)體，指定 Flash 模擬

EEPROM 的起始、結(jié)束地址、頁(yè)的大小、子頁(yè)的大小、每個(gè)頁(yè)的子頁(yè)數(shù)目等參數(shù)，同時(shí)將需要操作的參數(shù)封裝起來(lái)，便于軟件操作和管理，不建議定義許多離散的標(biāo)志變量。

在軟件操作上，F(xiàn)lash 模擬EEPROM 模塊需要提供幾個(gè)API 接口給應(yīng)用程序調(diào)用。

• 通過(guò)typedef 關(guān)鍵字定義設(shè)備類型，typedef unsigned char u8;

• ChkFstPowerOnInfo()用于檢測(cè)芯片是否為第一次上電并初始化 EEPROM 參數(shù)到內(nèi)存，原型如下。

Void ChkFstPowerOnInfo(void);

• FlashWrite()用于寫 Flash，傳遞的形參包括指向待寫入數(shù)據(jù)的指針，待寫入數(shù)據(jù)在子頁(yè)中的起始字節(jié)編號(hào)，寫入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，原型如下。

void FlashWrite( u8 *array, u8 startNum, u8 length );

• FlashErase()用于擦除 Flash，傳遞的形參是子頁(yè)的編號(hào)，在擦除函數(shù)中需要根據(jù)子頁(yè)的編號(hào)判斷是否需要執(zhí)行頁(yè)的擦除操作，原型如下。

void FlashErase(u8 seg_sn);

2.2.2 軟件流程圖

軟件啟動(dòng)后，初始化模擬EEPROM 流程圖描述如下。

調(diào)用 API，向模擬 EEPROM 寫入數(shù)據(jù)的軟件流程如圖五所示。在軟件處理中，要特別注意目標(biāo)指針的切換和保證寫入數(shù)據(jù)的正確性，在代碼空間允許的情況下，可以增加一些校驗(yàn)算法來(lái)保證。

采用劃分子頁(yè)的方案總結(jié)如下。

• 每次寫入模擬EEPROM 的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為定長(zhǎng)，即為子頁(yè)的長(zhǎng)度。

• 軟件需要定義一個(gè)存儲(chǔ)變量結(jié)構(gòu)體，用于刷新和同步模擬EEPROM 內(nèi)容。在將數(shù)據(jù)寫入模擬EEPROM 之前，程序員需要按照約定的數(shù)據(jù)格式，在內(nèi)存中將所有的目標(biāo)存儲(chǔ)變量進(jìn)行整理。

• 在軟件處理上，需要計(jì)算當(dāng)前寫入和下一次寫入的物理地址;在每一次執(zhí)行寫入操作后，根據(jù)子頁(yè)長(zhǎng)度大小，將指向子頁(yè)的目的操作指針自動(dòng)累加。

• 待一個(gè)頁(yè)(Page)寫滿后，需要將最后更新的模擬EEPROM 數(shù)據(jù)拷貝到下一個(gè)頁(yè)，再對(duì)寫滿頁(yè)執(zhí)行一次擦除操作。

• 在嵌入式軟件處理上需加入合適的校驗(yàn)機(jī)制，保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)測(cè)用于模擬EEPROM功能的Flash 子頁(yè)是否已經(jīng)失效。

2.3 兩種方案的對(duì)比分析

兩種方案的對(duì)比分析見(jiàn)表二。

3. 實(shí)際的嵌入式應(yīng)用

根據(jù)軟件需要，建議采用字節(jié)(8bit)做為操作的最小粒度，適用性會(huì)更廣泛。

3.1 Flash 存儲(chǔ)器擦寫壽命的提升

對(duì)于MSP430G 系列的Flash 存儲(chǔ)器，可以保證至少10000 次的編程和擦除壽命。如圖六所示。

采用劃分小頁(yè)結(jié)合至少分配2 個(gè)大頁(yè)的操作方式，則可以大大增加Flash 模擬EEPROM 的擦寫壽命。例如，對(duì)于MSP430G 系列單片機(jī)，如果將每個(gè)小頁(yè)的尺寸劃分為16 字節(jié)，采用2 個(gè)大頁(yè)(每頁(yè)512 字節(jié))作為模擬 EEPROM 使用，則可以提供 64 個(gè)操作子頁(yè)((512/16)x2=64)，可以保證至少640000 次的擦寫壽命。

3.2 掉電時(shí)的異常處理

如果正在進(jìn)行Flash 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)發(fā)生掉電，數(shù)據(jù)可能會(huì)保存不成功，存在異常。為了增強(qiáng)健壯性，在軟件處理上，需要考慮設(shè)備異常掉電等可能會(huì)導(dǎo)致Flash 擦寫失敗的情況。

在軟件處理中，當(dāng)成功保存Flash 數(shù)據(jù)后，再寫入該子頁(yè)的狀態(tài)標(biāo)志。單片機(jī)上電后，用戶程序?qū)⒉檎易詈笠淮螌懭氲淖禹?yè)，再將該子頁(yè)的數(shù)據(jù)內(nèi)容并恢復(fù)到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

4. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

4.1 時(shí)鐘源的選擇

由于驅(qū)動(dòng)Flash 的時(shí)鐘源(ACLK、MCLK、SMCLK)和時(shí)鐘頻率可以設(shè)定，為了保證在將數(shù)據(jù)寫入模擬EEPROM 時(shí)的可靠性，建議在將Flash 的時(shí)鐘頻率降低后，再對(duì)其進(jìn)行操作。例如將Flash 的時(shí)鐘頻率降低到1MHz 后，進(jìn)行寫入操作。需要注意，在降低了時(shí)鐘頻率后，若此時(shí)鐘源也是定時(shí)器(Timer)的時(shí)鐘源，則可能會(huì)影響到定時(shí)器的定時(shí)準(zhǔn)確性，需要軟件上做好處理。

4.2 代碼在RAM 中運(yùn)行

由于向Flash 寫入數(shù)據(jù)操作是通過(guò)執(zhí)行Flash 中程序代碼，對(duì)Flash 進(jìn)行擦除和編程操作。由于對(duì)Flash 的編程需要mcu 內(nèi)部執(zhí)行一個(gè)升壓操作，所以如果有足夠的內(nèi)存空間，建議將編程、擦除等關(guān)鍵代碼拷貝到RAM 中運(yùn)行，可以使用關(guān)鍵字__ramfunc 指定，如下圖七所示。

圖七 使用關(guān)鍵字__ramfunc 將程序指定到Ram 中運(yùn)行

5. 總結(jié)

本文從軟件方面，以及安全性方面探討了使用MSP430G 系列單片機(jī)在使用Flash 模擬EEPROM方面的應(yīng)用，提供了兩種不同的方式供選擇。兩種方式都可以大幅度提高模擬EEPROM 的編寫、擦除壽命，并且滿足高可靠性的應(yīng)用設(shè)計(jì)，用戶可以結(jié)合具體的應(yīng)用進(jìn)行選擇。