MAXQ環(huán)境下EEPROM的保護(hù)措施

包括eeprom、閃存和旋轉(zhuǎn)式存儲器在內(nèi)，所有類型的非易失性存儲器都面臨一個共同的問題：寫周期被中斷時，數(shù)據(jù)會丟失。一旦在寫周期執(zhí)行過程中掉電，那么即使再恢復(fù)電源，也很難修復(fù)損壞的數(shù)據(jù)。 本文提出了一種基于事務(wù)的提交-回退機(jī)制，用于保護(hù)一個外部串行eeprom存儲器件的內(nèi)容。這些措施同樣適用于大多數(shù)maxq微控制器的內(nèi)置eeprom?？梢韵螺d本應(yīng)用的代碼文件(zip，20.5kb)。

i2c eeprom的特點(diǎn)
串行存儲器件有多種接口，但最常用的接口是i2c接口。這種總線接口有很多優(yōu)點(diǎn)：高度標(biāo)準(zhǔn)化的接口；控制器和存儲器之間只需兩條線；而且具有靈活的時序要求，可以由軟件驅(qū)動。一個i2c主機(jī)可以驅(qū)動很多i2c從機(jī)，從而最大程度減少了主機(jī)的引腳數(shù)。
在所有eeprom器件中，寫周期都要比讀周期長的多。因?yàn)樵趯懼芷谶^程中，電荷需要借助隧道效應(yīng)并通過絕緣層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而這個過程很費(fèi)時間。雖然增加電壓可以加快這個過程，但是過高的電壓會導(dǎo)致絕緣層的介質(zhì)擊穿，從而損壞器件。典型的eeprom器件寫周期持續(xù)10毫秒左右；而讀周期通常需要幾百個納秒。

為了顯著縮短寫周期的時間，許多i2c eeprom器件采用頁面模式。該模式允許將多個字節(jié)傳送到緩存中，然后將數(shù)據(jù)一次性寫入存儲區(qū)。i2c存儲器件的典型頁面尺寸為32字節(jié)。因此，可以在一個寫周期內(nèi)向eeprom填入32個字節(jié)。

這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榇衑eprom器件都具有特定的耐久度：即每個頁面所能承受的寫周期次數(shù)上限。典型的寫周期次數(shù)從10,000到1,000,000次。然而，即使存儲器件能夠承受1百萬次寫周期，軟件也會很快將其損耗殆盡。軟件每秒僅執(zhí)行100次寫周期，那么不到3個小時就會耗盡器件的寫周期次數(shù)。

考慮到這些基本的eeprom特性，設(shè)計(jì)者為一個嵌入式處理器設(shè)計(jì)可靠的非易失存儲系統(tǒng)時，需切記以下幾點(diǎn)：

不要在同一頁面上反復(fù)執(zhí)行寫操作。尤其是不要將某個頁面設(shè)置成寫入任何其它頁面時都要更新的“目錄”。
如果在寫周期過程中電源被中斷，必須提供以下機(jī)制：(1) 檢測被中斷的寫操作；(2) 完成被中斷的操作；(3) 或者將事件回退至寫操作之前的狀態(tài)。
必須通過某些數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制(校驗(yàn)和、crc或消息摘要)來保證數(shù)據(jù)的完整性。

設(shè)計(jì)目標(biāo)
雖然上面提到的eeprom問題可通過多種非易失文件系統(tǒng)加以解決，但這樣的文件機(jī)制對于小型嵌入式微控制器來說負(fù)擔(dān)過重。很多文件系統(tǒng)需要更多的ram，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了小型微控制器所能提供的容量，而且對于多數(shù)應(yīng)用，也不需要一個完整的文件系統(tǒng)。
考慮到這一點(diǎn)，下面列出了eeprom數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

精簡：保護(hù)機(jī)制用于存儲校驗(yàn)數(shù)據(jù)的空間不應(yīng)超過eeprom的10％，它應(yīng)該只需要少量的計(jì)算開銷。
塊大?。罕槐Ｗo(hù)的塊大小，應(yīng)該和eeprom的寫操作頁面大小一樣。由于eeprom器件的頁面大小通常是2的偶數(shù)次冪，因此與每個塊保留1或2個字節(jié)的做法相比，相同的尺寸大小更便于軟件編碼。
耐久性：每個保護(hù)周期不要對同一頁面進(jìn)行寫操作。
可靠性：每次掉電情況下，數(shù)據(jù)都應(yīng)是可恢復(fù)的。
這里提到的保護(hù)機(jī)制有6個接口函數(shù)：讀、寫、提交、回退、檢查和清理。

讀函數(shù)接收一個塊編號和一個指向32字節(jié)緩存的指針。如果緩存地址和塊編號處于有效范圍內(nèi)，程序就會將指定的塊數(shù)據(jù)讀入緩存，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。它會返回如下狀態(tài)：有效讀(valid read)、無效讀(invalid read)、無效緩存地址(invalid buffer address)、無效頁面編號(invalid page number)或保護(hù)失敗(protection failure)。

寫函數(shù)接收一個塊編號和一個指向填好數(shù)據(jù)的32字節(jié)緩存的指針。如果緩存地址和塊編號處于有效范圍內(nèi)，程序就會將數(shù)據(jù)寫入非易失性緩存，并標(biāo)記緩存狀態(tài)以準(zhǔn)備提交。

提交和回退函數(shù)，是可以在寫操作之后執(zhí)行的互補(bǔ)型操作。提交函數(shù)將最近被寫入的緩存數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)的存儲區(qū)最終位置，并為下一個待寫入的數(shù)據(jù)塊準(zhǔn)備好緩存結(jié)構(gòu)?；赝撕瘮?shù)實(shí)際上就是一個“取消”操作。它消除最近一次寫操作產(chǎn)生的效果，并為下一個寫操作準(zhǔn)備好緩存子系統(tǒng)。 檢查函數(shù)讀取存儲器件的每個數(shù)據(jù)塊，并檢查存儲數(shù)據(jù)的有效性。該函數(shù)還檢查緩存子系統(tǒng)，以確保沒有未執(zhí)行的寫操作。任何無效塊或未執(zhí)行的寫操作都會使檢查函數(shù)返回一個錯誤狀態(tài)。

清理函數(shù)修復(fù)一個數(shù)據(jù)損壞的eeprom。實(shí)際上，它將試圖找出發(fā)生的錯誤，并采取相應(yīng)的解決措施。

關(guān)于這些函數(shù)的更多細(xì)節(jié)，參見下面的操作詳解。

操作詳解

對于一個不帶保護(hù)功能的eeprom，具體操作非常簡單。一個讀周期簡單地將字節(jié)從所選擇的地址傳送給主機(jī)；一個寫周期將字節(jié)從主機(jī)寫入eeprom，并等待操作完成(大多數(shù)器件需要幾個毫秒的時間)。然而，在一個提供保護(hù)的eeprom環(huán)境下，讀和寫操作就比較復(fù)雜了。在以下各節(jié)中，對每個操作進(jìn)行了分解，以便了解函數(shù)被調(diào)用時到底是如何操作的。
讀操作

檢查頁面地址和緩存地址，以檢驗(yàn)它們的有效性。如果地址無效，則就此結(jié)束操作，函數(shù)返回一個無效緩存地址或無效頁面編號錯誤代碼。
將所選頁面讀入緩存。

計(jì)算校驗(yàn)頁面的地址，并將相應(yīng)的校驗(yàn)頁面讀入暫存區(qū)。

計(jì)算校驗(yàn)頁面的crc。如果校驗(yàn)頁面的數(shù)據(jù)無效，則返回一個保護(hù)失敗錯誤代碼。

計(jì)算數(shù)據(jù)緩存的crc，并將其與暫存區(qū)中對應(yīng)讀取頁面的crc進(jìn)行比較。如果crc匹配，則程序返回有效讀代碼；如果crc不匹配，則程序返回?zé)o效讀代碼。無論結(jié)果怎樣，實(shí)際讀取的數(shù)據(jù)都保存在返回緩存中，以供調(diào)用讀操作的程序使用。
寫操作

檢查頁面地址和緩存地址，以檢驗(yàn)其有效性。如果地址無效，操作在這里結(jié)束，函數(shù)返回一個無效緩存地址或無效頁面編號錯誤代碼。
讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。如果任何緩存處于占用狀態(tài)，則操作失敗并返回寫過程(write sequence)錯誤代碼。

4個寫緩存之一應(yīng)處于終止?fàn)顟B(tài)。如果是這樣，激活下一個緩存。
數(shù)據(jù)被復(fù)制到寫緩存的數(shù)據(jù)域。

頁面地址被寫入地址域。計(jì)算crc校驗(yàn)結(jié)果并將其寫入crc域。將狀態(tài)改為占用。將前一個緩存置為可用狀態(tài)(即更新原來的終止?fàn)顟B(tài))。

需要注意，此時對新寫的頁面進(jìn)行讀操作，將返回頁面原來的數(shù)值。只有等提交操作完成后，才會返回新值。

提交操作

讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。應(yīng)該只有1個緩存標(biāo)記為占用狀態(tài)。否則，函數(shù)在此結(jié)束，并返回一個寫過程錯誤代碼。

對被占用的緩存進(jìn)行crc校驗(yàn)。如果不匹配，則返回一個數(shù)據(jù)損壞錯誤代碼。
提取頁面地址，并將數(shù)據(jù)寫入主存儲區(qū)的指定頁面。

計(jì)算緩存的數(shù)據(jù)部分的crc。該值被保存在一個臨時寄存器中。

找到對應(yīng)所選主存儲區(qū)頁面的校驗(yàn)頁面，并讀取該校驗(yàn)頁面的內(nèi)容。

用前面計(jì)算的crc更新校驗(yàn)頁面，為校驗(yàn)頁面計(jì)算新的crc。

將校驗(yàn)頁面數(shù)據(jù)重新寫回校驗(yàn)存儲區(qū)。

將寫緩存更新為終止?fàn)顟B(tài)。

回退操作

讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。應(yīng)該只有一個緩存被標(biāo)記為占用。否則，函數(shù)在此結(jié)束，并返回一個寫過程錯誤代碼。
將所選的寫緩存狀態(tài)域置為終止。
檢查操作

讀取每個寫緩存。確認(rèn)只有一個緩存不是可用狀態(tài)。如果只有一個緩存含有未定義的狀態(tài)代碼，則返回一個寫操作中斷(interrupted write)錯誤代碼。如果所有緩存均包含未定義的狀態(tài)代碼，則返回eeprom未初始化(uninitialized eeprom)錯誤代碼。

如果僅有一個緩存包含占用狀態(tài)代碼，計(jì)算此緩存的crc。如果crc不匹配，則返回一個寫操作中斷錯誤代碼。

檢查校驗(yàn)存儲區(qū)的每一個頁面。如果任何頁面沒有通過crc校驗(yàn)，則返回保護(hù)失敗錯誤代碼。

最后，檢查主存儲區(qū)的每一頁，并與存儲的各頁crc進(jìn)行對比。如果有1頁未通過crc校驗(yàn)，則返回一個提交中斷(interrupted commit)錯誤代碼。
清理操作

圖7演示了清理操作是如何工作的：

如果檢查操作返回一個eeprom未初始化的錯誤代碼，則初始化eeprom。清除所有數(shù)據(jù)頁面，并且初始化所有校驗(yàn)頁面。除最后一個寫緩存被初始化為終止?fàn)顟B(tài)外，清除其它所有寫緩存并置為可用狀態(tài)。

如果檢查操作返回一個寫操作中斷錯誤代碼，則找到那個不是可用狀態(tài)的寫緩存。將它的狀態(tài)改為終止?fàn)顟B(tài)。

如果檢查操作返回一個提交中斷錯誤代碼，則找到crc不匹配的主頁面。計(jì)算出它的crc并更新相關(guān)校驗(yàn)頁面。

如果檢查操作返回保護(hù)失敗錯誤代碼，則表示緊隨提交操作的更新校驗(yàn)頁面操作被中斷。讀出所有與錯誤校驗(yàn)頁面相關(guān)的主存儲區(qū)頁面，并刷新校驗(yàn)頁面。

安全性證明

要證明系統(tǒng)的安全性，需要確定寫操作過程中數(shù)據(jù)容易損壞的時刻。(讀操作從本質(zhì)上來說是安全的。讀操作期間不會對eeprom頁面進(jìn)行寫操作，因此數(shù)據(jù)不會被損壞。) 確定了這些易損時刻后，只需要再確定一個恢復(fù)過程。如果恢復(fù)機(jī)制涵蓋了所有可能的數(shù)據(jù)損失情況，而且如果我們假定在任何一個可能破壞eeprom寫周期的事件之后，都將首先執(zhí)行校驗(yàn)/清理周期(例如上電)，那么系統(tǒng)就是安全的。

在大多數(shù)串行eeprom器件中，一個寫操作首先將頁面的每位數(shù)據(jù)都置為已知值，然后將所有需要改變的位設(shè)置為需要的值。因此在掉電時，中斷的寫操作極有可能破壞該頁的所有字節(jié)。通?？梢酝ㄟ^向損壞頁面寫入新數(shù)據(jù)，進(jìn)而從這一失效事件中恢復(fù)出來。但這會失去原來的數(shù)據(jù)。

寫操作過程中數(shù)據(jù)容易損壞的時刻如下所述(按發(fā)生的時間順序排列)：

對數(shù)據(jù)域進(jìn)行寫操作：如果此時發(fā)生電源失效事件，檢查操作不會檢測到錯誤。正在被寫入的寫緩存仍顯示可用狀態(tài)，但可用的緩存不包含有效的crc值。
向當(dāng)前寫緩存寫入狀態(tài)信息：這個操作將狀態(tài)域改為占用狀態(tài)，設(shè)定crc并為寫操作填入頁面地址。如果這個過程被中斷，可能發(fā)生如下情況：(1) 狀態(tài)無效，從而導(dǎo)致一個寫操作中斷錯誤；(2) 狀態(tài)有效，但crc錯誤，仍會導(dǎo)致一個寫操作中斷錯誤；(3) 狀態(tài)和crc域有效。在最后這種情形下，系統(tǒng)有未提交處理的寫操作?？梢詸z測到這一狀態(tài)，因?yàn)榇藭r一個緩存將處于占用狀態(tài)而另一個緩存為終止?fàn)顟B(tài)。如果子系統(tǒng)的其它部分檢查通過，則用戶代碼可通過發(fā)出提交或回退操作繼續(xù)執(zhí)行。無論發(fā)生何種情況，主存儲區(qū)和校驗(yàn)存儲區(qū)都是安全的。

前一個緩存狀態(tài)清除為可用狀態(tài)：緩存可能有損壞的狀態(tài)或crc，而下一個緩存為占用狀態(tài)。這意味著清除該緩存的狀態(tài)時操作被中斷，這種情況下可以執(zhí)行提交或回退操作。

在寫操作和提交操作之間：只有一個寫緩存將處于占用狀態(tài)，并且通過了crc校驗(yàn)。用戶代碼可以請求提交或回退操作。寫緩存、校驗(yàn)存儲區(qū)和主存儲區(qū)都是安全的。

提交操作過程中數(shù)據(jù)容易損壞的時刻如下所述：

將數(shù)據(jù)域復(fù)制到主存儲區(qū)：如果寫操作被中斷，主存儲區(qū)的1個頁面數(shù)據(jù)可能被破壞。檢查函數(shù)會檢測到兩種狀態(tài)：(1) 一個有效的占用寫緩存；(2) 中斷的提交操作導(dǎo)致主存儲區(qū)頁面數(shù)據(jù)損壞。寫緩存和校驗(yàn)存儲區(qū)是安全的。在這種情況下，清理操作會完成提交操作并返回一個干凈的系統(tǒng)。注意：即使寫操作已經(jīng)完成，檢查操作仍會因?yàn)樾ｒ?yàn)存儲區(qū)的crc與計(jì)算出的crc不匹配而報錯。

更新校驗(yàn)存儲區(qū)的crc：如果對校驗(yàn)頁面的寫操作被中斷，則整個頁面的數(shù)據(jù)都可能被破壞。這意味著主存儲區(qū)的15個頁面都對應(yīng)著無效的crc。但是由于校驗(yàn)存儲區(qū)的每一頁都有自己的校驗(yàn)和，而且在寫操作中斷后會產(chǎn)生校驗(yàn)和錯誤，因此檢查程序會發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。在這種情況下，檢查程序會返回保護(hù)失敗。修復(fù)方法如下：首先重新計(jì)算所有受影響的15個頁面的crc值。然后將這些值和該頁自身的有效crc值一起寫入校驗(yàn)頁面。

更新寫緩存的狀態(tài)信息：如果當(dāng)狀態(tài)變量從占用狀態(tài)變?yōu)榻K止?fàn)顟B(tài)時，寫周期被中斷，那么整個寫緩存頁面的數(shù)據(jù)都可能被損壞。但是，校驗(yàn)存儲區(qū)和主存儲區(qū)都是安全的。檢查操作會找到數(shù)據(jù)損壞的頁面，并返回寫操作中斷錯誤代碼。當(dāng)運(yùn)行清理程序時，它將復(fù)位寫緩存子系統(tǒng)，并完成提交操作。
最后，在回退操作中數(shù)據(jù)容易損壞的時刻為：

更新寫緩存的狀態(tài)：與提交周期的最終狀態(tài)類似，該操作只是簡單地將寫緩存的占用狀態(tài)復(fù)位至終止?fàn)顟B(tài)。如果它被中斷，則檢查程序會返回寫操作中斷，并且清理程序會重新初始化所有的寫緩存區(qū)域。校驗(yàn)存儲區(qū)和主存儲區(qū)仍是安全的。

可以看出，無論電源何時掉電或處理器何時被復(fù)位，存儲子系統(tǒng)都可保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。發(fā)生電源失效事件后，存儲子系統(tǒng)會返回到可進(jìn)行讀或?qū)懙臓顟B(tài)。如果一個提交操作被中斷，子系統(tǒng)會返回到可執(zhí)行提交或回退操作的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)起步

maxq微控制器的eeprom存儲系統(tǒng)功能完備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要來增強(qiáng)該系統(tǒng)的功能。但需要注意以下幾點(diǎn)：

c封裝程序：在多數(shù)c語言標(biāo)準(zhǔn)中，與匯編語言子程序雙向傳送數(shù)據(jù)時都有一套標(biāo)準(zhǔn)的方法。例如在iar開發(fā)環(huán)境下，參數(shù)在低編號的累加器中傳入和傳出。由于參數(shù)已經(jīng)傳入a[0]和a[1]，為這些程序建立一個c封裝器，就像寫函數(shù)原型一樣容易。在其它c(diǎn)環(huán)境下，參數(shù)傳遞是通過數(shù)據(jù)棧進(jìn)行的，需要一個簡單的封裝子程序。

并發(fā)處理：首先要保證寫周期的完整性，并且提供一套能夠保證完整性的機(jī)制，對于整個平臺的成敗至關(guān)重要。但很多應(yīng)用都需要這樣一種機(jī)制，即可以讓一系列寫周期排隊(duì)并一次執(zhí)行完畢，從而保證全都執(zhí)行或全都不執(zhí)行。但本文討論的機(jī)制不能工作在這種方式下。如果一個系統(tǒng)存有跨越多個頁面的信息記錄，則可以中斷一個寫操作，這使得恢復(fù)之后的記錄涵蓋了包含部分新數(shù)據(jù)的頁面和包含部分舊數(shù)據(jù)的頁面。有一種方法可避免該問題，即在執(zhí)行提交操作之前允許多重寫操作。這種方法并不像聽上去那么簡單，因?yàn)橐粋€部分提交的事務(wù)，可能同時包括新紀(jì)錄片斷、舊記錄片斷和損壞的頁面。

平均讀寫機(jī)制：平均讀寫作為閃存文件系統(tǒng)的一個特點(diǎn)，是指虛擬化頁面地址，使得被頻繁寫入的頁面會出現(xiàn)在存儲器的任何物理位置。但是很難找到實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法。這是因?yàn)?，最直接的解決方法(活動存儲塊的目錄處于固定的位置，并且每次寫操作后都要對它進(jìn)行更新)會導(dǎo)致存儲目錄的頁面迅速損耗。所以，就像處理數(shù)據(jù)頁面那樣，還必須虛擬化和離散化目錄本身。
其它頁面尺寸：這里給出的系統(tǒng)假定采用一個16kb、每頁32字節(jié)的存儲器件。如果所選擇的器件具有更大的頁面尺寸(64字節(jié)或128字節(jié))，這些函數(shù)仍可工作，只是會伴隨一些額外的寫入損耗。(更新128字節(jié)頁面中的32字節(jié)區(qū)段時，會對整個128字節(jié)頁面執(zhí)行寫操作)。但這些函數(shù)無法對具有更小頁面尺寸的器件進(jìn)行操作?？梢詷?gòu)建一個能夠在線確定eeprom器件特性的系統(tǒng)，并可根據(jù)實(shí)際特性配置系統(tǒng)的參數(shù)。

增強(qiáng)的安全性：本系統(tǒng)對以下類型的錯誤提供保護(hù)：由于電源失效或不可預(yù)期的系統(tǒng)復(fù)位而造成的eeprom操作中斷。但eeprom器件偶爾也會因?yàn)槠渌虺鲥e。例如，由于電路噪聲或致電離輻射導(dǎo)致的軟件錯誤?；蛘哂捎谝粋€或多個存儲單元損耗而導(dǎo)致硬件錯誤。

一種解決方法是計(jì)算并維護(hù)校正子(syndrome)，而不是采用簡單的crc校驗(yàn)字。校正子和校驗(yàn)字類似，但是包含了足夠的信息以修復(fù)簡單的位錯誤。最簡單的校正子系統(tǒng)可以用log2n + 1個校驗(yàn)位來檢驗(yàn)n個數(shù)據(jù)位。因此，對于一個32字節(jié)(256位)的頁面來說，一個僅包含9位的校正子就可以修正任何1位錯誤。對數(shù)據(jù)完整性的要求更加嚴(yán)格時，可以采用更加復(fù)雜的系統(tǒng)來解決類似問題。

結(jié)語

外部串行eeprom為微控制器環(huán)境下存儲非易失數(shù)據(jù)提供了一種可靠的方法。利用本文提到的技術(shù)，即使面臨寫操作中斷的情況，串行eeprom依然能夠可靠地工作。在任何對數(shù)據(jù)完整性要求較高的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者都可以考慮這些技術(shù)。