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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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。

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(nèi)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(nèi)容時，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(nèi)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(jié)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(nèi)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(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存儲單元大小(操作粒度)，將目的操作指針自動累加。

• 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)測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(zhuǎn)。

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。

2.2.1 軟件描述

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

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

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

• 通過typedef 關鍵字定義設備類型，typedef unsigned char u8;

• ChkFstPowerOnInfo()用于檢測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)在子頁中的起始字節(jié)編號，寫入數(shù)據(jù)的長度，原型如下。

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

• FlashErase()用于擦除 Flash，傳遞的形參是子頁的編號，在擦除函數(shù)中需要根據(jù)子頁的編號判斷是否需要執(zhí)行頁的擦除操作，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，可以增加一些校驗算法來保證。

采用劃分子頁的方案總結(jié)如下。

• 每次寫入模擬EEPROM 的數(shù)據(jù)長度為定長，即為子頁的長度。

• 軟件需要定義一個存儲變量結(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)存中將所有的目標存儲變量進行整理。

• 在軟件處理上，需要計算當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)子頁長度大小，將指向子頁的目的操作指針自動累加。

• 待一個頁(Page)寫滿后，需要將最后更新的模擬EEPROM 數(shù)據(jù)拷貝到下一個頁，再對寫滿頁執(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機制，保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)測用于模擬EEPROM功能的Flash 子頁是否已經(jīng)失效。

2.3 兩種方案的對比分析

兩種方案的對比分析見表二。

3. 實際的嵌入式應用

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

3.1 Flash 存儲器擦寫壽命的提升

對于MSP430G 系列的Flash 存儲器，可以保證至少10000 次的編程和擦除壽命。如圖六所示。

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

3.2 掉電時的異常處理

如果正在進行Flash 數(shù)據(jù)存儲時發(fā)生掉電，數(shù)據(jù)可能會保存不成功，存在異常。為了增強健壯性，在軟件處理上，需要考慮設備異常掉電等可能會導致Flash 擦寫失敗的情況。

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

4. 系統(tǒng)可靠性設計

4.1 時鐘源的選擇

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

4.2 代碼在RAM 中運行

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

圖七 使用關鍵字__ramfunc 將程序指定到Ram 中運行

5. 總結(jié)

本文從軟件方面，以及安全性方面探討了使用MSP430G 系列單片機在使用Flash 模擬EEPROM方面的應用，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用設計，用戶可以結(jié)合具體的應用進行選擇。