在嵌入式設(shè)計中，許多應(yīng)用設(shè)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(jī)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(jī)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(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(shí)現(xiàn)上述功能的軟件流程。

《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(yīng)用中都會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，簡稱為"Flash"）是一種非易失性（Non-Volatile ）存儲器，廣泛應(yīng)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(yīng)用方式來達(dá)到使用要求。對一些普通的應(yīng)用場合，這種使用方式可以滿足要求。

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。

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(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)計者增加相關(guān)的處理來應(yīng)對可能存在的異常。

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(jìn)行寫操作之前不要擦除操作。由于 Flash 需要幾個毫秒時間進(jìn)行擦除操作，所以如果在進(jìn)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(guān)的保護(hù)處理。為了設(shè)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。

《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 存儲器模擬 EEPROM。

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(zhǔn)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(dāng)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(jìn)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)：

a、擦除態(tài)：該頁是空的。

b、已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài)：該頁已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備切換到下一個頁進(jìn)行操作。

c、有效頁狀態(tài)：該頁包含著有效數(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。

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(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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(yàn)機(jī)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、 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(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(jìn)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(jìn)行標(biāo)識，在進(jìn)行寫 EEPROM操作時，應(yīng)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(jìn)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)：

a、擦除態(tài)：該頁是空的。

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

c、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(shí)現(xiàn) Flash 模擬 EEPROM 的數(shù)據(jù)處理方法。

3、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(biāo)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(yīng)用程序調(diào)用。

? 通過 typedef 關(guān)鍵字定義設(shè)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);

4、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(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(biāo)存儲變量進(jìn)行整理。

? 在軟件處理上，需要計算當(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(yàn)機(jī)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。

5、兩種方案的對比分析

兩種方案的對比分析見表二。

《實(shí)際嵌入式應(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，適用性會更廣泛。

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(jī)，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。

2、掉電時的異常處理

如果正在進(jìn)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(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摚賹⒃撟禹摰臄?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。

《系統(tǒng)可靠性設(shè)計》

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(shè)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(jìn)行操作。例如將 Flash 的時鐘頻率降低到 1MHz 后，進(jìn)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(zhǔn)確性，需要軟件上做好處理。

2、代碼在 RAM 中運(yùn)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(jìn)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(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。

《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，用戶可以結(jié)合具體的應(yīng)用進(jìn)行選擇。

審核編輯 ：李倩