提高MSP430G系列單片機的Flash 擦寫壽命的方法

摘要

在嵌入式設計中，許多應用設計都需要使用EEPROM 存儲非易失性數(shù)據(jù)，由于成本原因，某些單片機在芯片內部并沒有集成EEPROM。MSP430G 系列處理器是TI 推出的低成本16 位處理器，在MSP430G 系列單片機中并不具備EEPROM。為了存儲非易失性數(shù)據(jù)，MSP430G 系列處理器在芯片內部劃分出了256 字節(jié)的Flash 空間作為信息Flash，可用于存儲非易失性數(shù)據(jù)，但是由于Flash 與EEPROM 在擦寫壽命上存在一定差距，所以在實際應用中，這種應用方式并不能夠滿足所有客戶的需求。本應用筆記介紹了使用代碼區(qū)域Flash 來模擬EEPROM，通過一定的軟件處理算法，可以大大增加數(shù)據(jù)存儲周期的一種方法。本文給出了實現(xiàn)上述功能的軟件流程。

1. 嵌入式Flash 存儲介質與EEPROM 的主要特性對比

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

由于硬件成本原因，在許多嵌入式處理器中并沒有集成EEPROM 模塊，通常我們可以采用在片內Flash 存儲器中保存非易失性數(shù)據(jù)的應用方式來達到使用要求。對一些普通的應用場合，這種使用方式可以滿足要求。

表一 EEPROM與Flash 對比分析

1.1 寫訪問時間

由于EEPROM 和Flash 的工作特性不同，所以寫訪問時間也不相同。Flash 具有更短的寫訪問時間，所以更適用于對存儲速度有要求的場合。

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保證在芯片掉電時能夠維持供電，保證完成數(shù)據(jù)操作。

Flash 模擬EEPROM：當芯片上電后，寫操作可以被電源掉電和芯片復位打斷。和EEPROM 相比，需要應用設計者增加相關的處理來應對可能存在的異常。

1.3 擦寫時間

EEPROM和采用Flash 模擬EEPROM在擦除時間上存在很大的差異。與Flash 不同，EEPROM 在進行寫操作之前不要擦除操作。由于Flash 需要幾個毫秒時間進行擦除操作，所以如果在進行擦除操作的過程中出現(xiàn)電源掉電的情況，需要軟件做相關的保護處理。為了設計一個健壯的Flash 存儲器的管理軟件，需要深入的了解和掌握Flash 存儲器的擦除過程特性。

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現(xiàn)Flash 存儲器模擬EEPROM。

2.1 虛擬地址加數(shù)據(jù)方案

通常需要兩個頁以上的Flash 空間來模擬EEPROM。上電后，初始化代碼先查找出有效頁，同時將另外一個頁初始化為擦除狀況，以提供字節(jié)寫的能力，并用作備份和隨時準備執(zhí)行寫入操作。需要存儲EEPROM 的變量數(shù)據(jù)首先寫入有效頁，當有效頁寫滿后，需將所有數(shù)據(jù)的最后狀態(tài)保存到備份頁，并切換到備份頁進行操作。每一頁的第一個字節(jié)通常用來指示該頁的狀態(tài)。

每個頁存在3 種可能狀態(tài)：

• 擦除態(tài)：該頁是空的。
• 已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài)：該頁已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù)，準備切換到下一個頁進行操作。
• 有效頁狀態(tài)：該頁包含著有效數(shù)據(jù)并且標示狀態(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。

下圖以采用兩個頁模擬EEPROM的方式為例，描述了頁狀態(tài)字的在頁0 和頁1 之間的切換過程。

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頁模擬EEPROM 的應用方式為例進行描述。為了方便獲取模擬EEPROM數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)內容，每個存儲變量元素都在Flash 里定義了一個操作單元，在該操作單元中對每個存儲變量元素都分配一個虛擬操作地址，即一個EEPROM 操作單元包含一個虛擬地址單元和一個數(shù)據(jù)單元。當需要修改數(shù)據(jù)單元內容時，新的數(shù)據(jù)內容和之前分配的虛擬地址一同寫入一個新的模擬EEPROM存儲器單元中，同時返回最新修改的數(shù)據(jù)內容。EEPROM存儲單元格式描述如圖二。

使用虛擬地址加數(shù)據(jù)的方案總結如下。

• 為每一個目標存儲變量分配一個虛擬地址，該虛擬地址需一同存入Flash 中。當讀取存儲變量內容時，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存儲單元大?。ú僮髁６龋瑢⒛康牟僮髦羔樧詣永奂?。
• 當一個頁（Page）寫滿后，需要將所有變量的EEPROM數(shù)據(jù)拷貝到下一個頁，再執(zhí)行該頁的擦除操作。
• 在嵌入式軟件處理上需加入合適的校驗機制，保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)Flash 是否已經(jīng)失效。

2.2 劃分子頁方案

在Flash 中劃分出至少2 個頁（Page）用作模擬EEPROM，根據(jù)應用需求將需寫入EEPROM 進行保存的變量數(shù)據(jù)劃分成一個定長的數(shù)組（子頁），例如16 個字節(jié)或者32 字節(jié)，將頁劃分成若干子頁后，需對Flash 中的所有子頁按照地址順序進行逐次編號。每個子頁的第一個字節(jié)通常用來指示該子頁的狀態(tài)，子頁狀態(tài)可以為：空、已寫入或者失效。

在芯片上電初始化時，首先查找出第一個尚未寫入數(shù)據(jù)的子頁，并進行標識，在進行寫EEPROM操作時，應用程序需將待寫入EEPROM 子頁的所有數(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)寫入空的子頁中，最后將模擬EEPROM 的操作指針指向下一個空閑的子頁，等待下一次寫入。待將一個頁的數(shù)據(jù)寫滿后，再進行一次擦除操作。需要處理好指向子頁的指針的跳轉。

每個頁存在3 種可能狀態(tài)：

擦除態(tài)：該頁是空的。

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

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

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