MC9S08QG8單片機(jī)的EEPROM虛擬技術(shù)

引 言
    MC9S08QG8(以下簡(jiǎn)稱QG8)是Freeseale公司于2006年推出的一款HCS08系列MCU。HCS08系列MCU是HC08系列的升級(jí)，具有更高的總線頻率和更低的工作電壓。QG8總線頻率可以達(dá)到10 MHz，工作電壓可以低至1．8 V，尤其是QG系列MCU采用了新型的Flash存儲(chǔ)器(HCS08系列MCU的典型型號(hào)為MC9S08GB／GT系列MCU，F(xiàn)lash編程擦除可使用2．7 V電壓，QG系列MCU工作在1．8 V時(shí)即可以對(duì)Flash進(jìn)行操作)。同時(shí)低功耗也是QG系列MCU的一大特點(diǎn)。通過降低主頻，在總線頻率為1 MHz、供電電壓2 V、溫度125℃的情況下正常工作，典型的芯片電流僅有370μA。而如果進(jìn)入待機(jī)模式，典型的芯片電流則低于1 μA，這些特點(diǎn)使得QG8非常適合使用在電池供電的設(shè)備中。
    EEPROM是Flash存儲(chǔ)技術(shù)成熟之前常用的存儲(chǔ)器，它與Flash均可作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但由于EEPROM本身容量和成本的限制，目前大多數(shù)MCU都采用Flash作為存儲(chǔ)器。用戶可以在Flash中存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)、校準(zhǔn)參數(shù)、保密數(shù)據(jù)等信息。由于Flash存儲(chǔ)區(qū)的最小擦除單位是頁(QG8一頁為512字節(jié))，若存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于一頁，則每次寫入或修改數(shù)據(jù)都必須進(jìn)行一次頁
擦除操作，該頁中沒有用到的空間就浪費(fèi)了。相對(duì)而言，EEPROM就不存在這個(gè)問題，它可以基于字節(jié)進(jìn)行寫入和擦除。部分HC08系列MCU(如MC68HC908JL8)為了解決這個(gè)問題，在其監(jiān)控ROM中提供了虛擬EEP一ROM的例程供用戶使用。但是QG8不具有監(jiān)控ROM，也就無法提供類似的功能，本文在QG8擦除／寫入Flash的基礎(chǔ)上，給出虛擬EEPROM的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和用戶接口，實(shí)現(xiàn)按字節(jié)“寫”Flash存儲(chǔ)區(qū)的功能，提高Flash存儲(chǔ)器的使用效率及壽命。

1 設(shè)計(jì)思路
    使用Flash模擬EEPROM實(shí)現(xiàn)按字節(jié)讀寫，其思路是將Flash的一頁依據(jù)寫入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度分為若干相等的部分。為了方便起見，每一部分稱為一塊，假設(shè)劃分為N塊。在寫入前，此頁Flash已擦除完畢，第1次寫入時(shí)將數(shù)據(jù)寫入第1塊，當(dāng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)修改后重新進(jìn)行寫入時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入第2塊，依次類推，如果進(jìn)行第N+1次寫入，由于該頁最多劃分為N塊，則先執(zhí)行頁擦除，然后將數(shù)據(jù)寫入第1塊中。讀操作相對(duì)于寫入操作要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)镕lash本身支持按字節(jié)讀操作。
    上述操作是在底層實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于上層開發(fā)人員是透明的，上層開發(fā)人員只需要調(diào)用接口函數(shù)EEE_PROG和EEE_READ即可。

2 具體實(shí)現(xiàn)
    虛擬EEPROM功能的實(shí)現(xiàn)以Flash的擦除／寫入為基礎(chǔ)。Flash頁中包含2部分，一部分是虛擬EEPROM的參數(shù)和狀態(tài)信息，稱之為信息區(qū)，另外一部分是實(shí)際用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。信息區(qū)中包含EEPROM首次寫入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和控制寫入的位置信息；存儲(chǔ)區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以劃分為N個(gè)Flash塊，寫入第x個(gè)塊時(shí)(x≤N)，同時(shí)修改信息區(qū)的位置信息。進(jìn)行擦除和寫入操作時(shí)分別將Flash操作代碼放置于RAM中運(yùn)行。
2．1 FIash擦除／寫入的實(shí)現(xiàn)
    由于HCS08系列MCU中沒有固化ROM，因此也就不具有HC08系列固化的虛擬EEPROM函數(shù)或Flash擦除／寫入函數(shù)，而直接在Flash中執(zhí)行同一Flash區(qū)的操作會(huì)引起不穩(wěn)定的情況。所以借鑒MC68HC908GP32芯片在線編程系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，將Flash的擦除和寫入函數(shù)先進(jìn)行編譯，將編譯后的二進(jìn)制代碼文件(即S19文件)寫入Flash區(qū)域。在調(diào)用該函數(shù)時(shí)，先將代碼復(fù)制到RAM區(qū)，然后調(diào)用并在RAM區(qū)的入口執(zhí)行相應(yīng)的Flash操作。為了減少代碼量，使用同一函數(shù)實(shí)現(xiàn)了擦除和寫入功能。具體代碼如下：

    使用C語言而不是匯編語言編寫這個(gè)函數(shù)是因?yàn)镃語言表達(dá)更清晰，另外目前的C編譯器能夠產(chǎn)生高效的匯編代碼。函數(shù)的入口參數(shù)cmd為Flash操作命令，具體命令內(nèi)容及其命令字節(jié)如表1所列；ProgAddr為待操作的Flash的地址，若是擦除操作則為Flash頁內(nèi)或者整個(gè)Flash內(nèi)的任意地址；buff-erAddr為緩沖區(qū)首地址；buff-ersize為待寫入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

2．2 存儲(chǔ)信息區(qū)的設(shè)計(jì)
    存儲(chǔ)信息區(qū)由5個(gè)字節(jié)構(gòu)成。其中第一個(gè)字節(jié)為長(zhǎng)度信息，記錄的是空白Flash第一次被寫入的數(shù)據(jù)大小。另外四個(gè)字節(jié)為寫入控制信息，用來記錄Flash的寫入情況。每次寫入成功后，將該信息區(qū)按從低到高的順序?qū)?duì)應(yīng)的位由1變?yōu)?。這里需要提到的一點(diǎn)是：Flash被擦除后，每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都變?yōu)?xFF，對(duì)Flash編程，其實(shí)是將Flash中每一位由“1”狀態(tài)變?yōu)椤癘”狀態(tài)，或者保持“1”狀態(tài)。正是利用這一點(diǎn)，控制信息可以記錄當(dāng)前Flash數(shù)據(jù)的寫入情況。例如，若長(zhǎng)度信息為16，則會(huì)用到控制信息的31位；若長(zhǎng)度信息為63，則僅用到低8位，寫入8次后，若要進(jìn)行下一次寫入操作，由于該頁剩余的長(zhǎng)度僅有3字節(jié)(512—5—63×8)，小于63，所以需要擦除后才能進(jìn)行。為了減少擦除次數(shù)，這里規(guī)定每次寫入的數(shù)組長(zhǎng)度不能超過63，同時(shí)由于控制信息位數(shù)的限制，數(shù)字長(zhǎng)度至少為16字節(jié)。存儲(chǔ)信息區(qū)的結(jié)構(gòu)如下：

2．3 虛擬EEPROM的實(shí)現(xiàn)流程
    使用Flash虛擬EEPROM特性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的接口子例程有2個(gè)，分別是寫入例程EE_PROG和讀出例程EE_READ。相對(duì)而言，讀出例程的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只需要根據(jù)存儲(chǔ)信息區(qū)的長(zhǎng)度信息和位置信息通過簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以獲得。
    EE_PROG函數(shù)的流程如圖1所示。其中，需要調(diào)用擦除／寫入函數(shù)ProgEraseFlash，以及確定下次向Flash寫入的具體位置的GetNextPos函數(shù)，該函數(shù)也是虛擬EEP—ROM的重要模塊。

    GetNextPos函數(shù)的流程如圖2所示，該函數(shù)返回下次寫入地址信息。

結(jié) 語
    MC9S08QG8可用手各種便攜式設(shè)備和獨(dú)立信息采集存儲(chǔ)設(shè)備等產(chǎn)品的開發(fā)。采用虛擬EEPROM技術(shù)，便可以在需要信息存儲(chǔ)的設(shè)備中無需再加入EEPROM。在江蘇畜牧學(xué)院“畜牧養(yǎng)殖自動(dòng)化管控平臺(tái)研究”項(xiàng)目中，使用電池供電的信息采集模塊(如溫度、濕度、氣壓、氨氣等模塊)中均采用該型號(hào)MCU作為主控MCU，信息數(shù)據(jù)均采用虛擬EEPROM存儲(chǔ)，達(dá)到了降低功耗和減少元器件的目標(biāo)。