目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。在一個單片機系統中，往往要求系統能夠為用戶保存一些參數或數值。這些數據被要求在系統斷電后不會“消 失”，并在下一次開機后能夠被讀取和修改。

高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。隨著單片機內部集成功能的不斷增加，使用片外數據存儲器的做法逐漸被含有片內可擦寫存儲單元的單片機所 取代。早期用戶可將需要保存的數據存放在片內Flash內，但這種做法對Flash內程序代碼乃至整個系統存在安全隱隱患，在片內集成獨立的數據存儲區成了單片機芯片設計的必然趨勢。例如Atmel 公司在AVR 系列單片機產品中，就融入了先進的E2PROM 電可擦除技術，使該公司的單片機具備了優秀的品質，在結構、性能和功能等方面都有明顯 的優勢。EEPROM （Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），電可擦可編程只讀存儲器，一種掉電后數據不丟失的存儲芯片。EEPROM可以在電腦上或專用設備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。但不管是將數據保存在Flash內還是保存在E2PROM內，都存在一個存儲單元可擦寫次數的上限。通常芯片廠家標明的是1 000 000次以上；而對于單片機系統的設計者來說，有部分保存在E2PROM內的數據在系統運行過程中是需要被頻繁擦寫的。當存放這些數據的片內存儲單元達到擦寫次數上限時，這個存儲單元就不能再使用了，從而會導致系統出現故障。

EEPROM是可用戶更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當計算機在使用的時候是可頻繁地重編程的， EEPROM的壽命是一個很重要的設計考慮參數。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。EEPROM常用在接口卡中，用來存放硬件設置數據，也常用在防止軟件非法拷貝的"硬件鎖"上面。

另外，單片機內部的E2PROM空間相對于有待保存的數據量來說是有很大富余的。也就是說，當單片機由于內部 E2PROM擦寫次數超過極限而不能正常工作時，片內仍然有較多的E2PROM空間沒有被利用過，因而產生單片機內部資源的極大浪費。

本文以AVR系列單片機中的ATmega8（ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機，是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位單片機，它承襲了AT90所具有的特點，并在AT90的基礎上，增加了更多的接口功能，而且在省電性能、穩定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善）為例，從程序設計角度出發，提出一種切實可行的E2PROM數據存儲策略，最大限度地提高片內E2PROM空間的利用率，從而解決上面提到的問題。

1、基本原理

由EPROM操作的不便，后來出的主板上BIOS ROM芯片大部分都采用EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）。EEPROM的擦除不需要借助于其它設備，它是以電子信號來修改其內容的 ，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛。EPROM在寫入數據時，仍要利用一定的編程電壓，此時，只需用廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫內 容，所以，它屬于雙電壓芯片。借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級時，把 跳線開關打至“ON”的位置，即給芯片加上相應的編程電壓，就可以方便地升級；平時使用時，則把跳線開關打至“OFF”的位置，防止CIH類的病毒對BIOS芯片的非法修改。所以，至今仍有不少主板采用EEPROM作為BIOS芯片并作為自己主板的一大特色。

2、E2PROM數據動態存儲的基本要求

一般，把數據存儲方式設定為靜態，即為固定的地址指定惟一的變量，任何時候讀取和改寫此地址內數據的操作均視為對該變量的讀取和改寫。然而這樣的存儲方式若被用于E2PROM 內的數據存儲，當E2PROM 的某一單元因過量擦寫而失效后，這個固定地址內所存放的變量就失去了有效的對應物理空間，這是在做E2PROM 數據存儲時不愿意看到的。

解決上述問題的有效方法是對E2PROM 數據實行動態存儲。其基本要求和目標是：

① 在整個系統使用壽命內，使E2PROM 空間得到最大利用；

② 系統能夠辨別不能使用的E2PROM 單元，從而保障數據安全。

3、策略分析

為方便敘述，將整個E2PROM空間分為以下幾個部分：統稱已經分配給用戶使用的地址連續的E2PROM區域為“占用塊”；稱未曾分配的地址連續的E2PROM區域為“可利用塊”或“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，還要在E2PROM內劃定一個地址連續的區域作為“目錄表”。這個目錄表記錄的是占用塊中實際占用空間的地址。與此對應的，占用塊中另外的部分就是廢棄空間（單元） 。

采取這樣的策略，在高地址的空閑塊中先放入目錄表。該目錄表的大小決定于占用塊中實際占用單元的多少，目錄表記錄實際占用單元的地址；占用塊從低地址的空閑塊開始分配，系統不再回收已經分配的占用塊，一直到占用塊中出現廢棄單元，系統就為其把現有的占用塊擴大，同時修改目錄表中的相關地址信息。

在系統運行初期，如果地址信息與數據信息同類型，那么占用塊和目錄表所占空間大小是一樣的，且目錄表是一個低地址的序列。如圖1所示，如果單片機內有N個E2PROM 存儲單元內，則在高地址開辟一個目錄表空間，記錄m個實際占用單元的地址，即0，1 ，2 ， …，m-1 。

當系統運行到一定時間后，占用塊中的某一個單元會因為E2PROM 數據擦寫次數超過限次而失效被廢棄，不妨假設這個單元地址是002H，那么系統就開始查找當前目錄表中所記錄的最大地址值，如圖2所示。這個最大地址值加1，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址，這里是（m-1）+1 = m。同時，目錄表所記錄的該內容的地址也做出相應修改。

可以預想的是，接著系統在一定時間后，會出現第2個廢棄單元，假設這個單元地址是000H。依次類推，如圖3所示，系統會為D0分配地址m+1 所指向的空間，同時目錄表內原先表示D0所在的地址值會被更改為m+1 。

隨著E2PROM內廢棄單元的逐漸增加，空閑塊的大小不斷縮小。當出現新的廢棄單元而沒有空閑塊可以利用時，系統會出現故障。采用這樣的策略后，相對于首次出現廢棄單元系統便被摧毀來說，實際上這個出現故障的時間已經被大大延緩了。

設Di在固定E2PROM 單元可存放的壽命為ti。這個值與系統中要求Di被修改的平均次數有關，其中i = 0，1，2， …， m - 1。

4、實現流程

圖4 為實現上述策略的程序流程。

在每一次E2PROM數據存儲的過程中，首先都需要從目錄表中查找該數據在占用塊內的地址add【i］，然后將新數據D［i］寫入該地址。單從算法的角度考慮，認為不存在寫失敗或讀失敗的情況，那么隨后將寫好的數據再讀出，通過驗證數據的正確性就可以判別該占用單元是不是應該廢棄。如果驗證通過，修改操作完成；如果驗證沒有通過，則廢棄該地址空間，并通過查詢目錄表，向后開辟新的占用單元，之后重復存儲過程。

5、示例

AVR單片機在片內集成了可以擦寫1 000 000次的E2PROM數據存儲器，用于保存系統的設定參數、固定表格和掉電后的數據保存，方便使用，減少系統的空間，又大大提高了系統的保密性。下面以AVR系列中的ATmega8為例，介紹上述的E2PROM動態存儲策略的C語言程序實現。

6、結語

集成獨立E2 PROM 數據存儲器是單片機設計的必然發展趨勢。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，對于單片機的用戶來說，怎樣更合理、更科學地利用好單片機的這些內部資源，是極其重要也是需要不斷地探索和總結的。