提高 MSP430G 系列單片機的 Flash 擦寫(xiě)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 存儲非易失性數據，由于成本原因，某些單片機在芯片內部并沒(méi)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據，MSP430G 系列處理器在芯片內部劃分出了256 字節的Flash 空間作為信息Flash，可用于存儲非易失性數據，但是由于Flash 與EEPROM 在擦寫(xiě)壽命上存在一定差距，所以在實(shí)際應用中，這種應用方式并不能夠滿(mǎn)足所有客戶(hù)的需求。本應用筆記介紹了使用代碼區域Flash 來(lái)模擬EEPROM，通過(guò)一定的軟件處理算法，可以大大增加數據存儲周期的一種方法。本文給出了實(shí)現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)是在絕大多數嵌入式應用中都會(huì )使用到的用于保存非易失性數據的關(guān)鍵器件，用于在程序運行期間保存數據。Flash 閃存(Flash Memory，簡(jiǎn)稱(chēng)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(méi)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據的應用方式來(lái)達到使用要求。對一些普通的應用場(chǎng)合，這種使用方式可以滿(mǎn)足要求。

表一 EEPROM與Flash 對比分析

1.1 寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間

由于EEPROM 和Flash 的工作特性不同，所以寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間也不相同。Flash 具有更短的寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，所以更適用于對存儲速度有要求的場(chǎng)合。

1.2 寫(xiě)方法

外置EEPROM和采用Flash 模擬EEPROM的最大不同之處在于寫(xiě)的方法。

EEPROM：對EEPROM 的寫(xiě)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(dòng)寫(xiě)操作流程后，寫(xiě)操作不能夠被打斷。所以需要外接電容器等措施來(lái)保證在芯片掉電時(shí)能夠維持供電，保證完成數據操作。

Flash 模擬EEPROM：當芯片上電后，寫(xiě)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(guān)的處理來(lái)應對可能存在的異常。

1.3 擦寫(xiě)時(shí)間

EEPROM和采用Flash 模擬EEPROM在擦除時(shí)間上存在很大的差異。

與Flash 不同，EEPROM 在進(jìn)行寫(xiě)操作之前不要擦除操作。由于Flash 需要幾個(gè)毫秒時(shí)間進(jìn)行擦除操作，所以如果在進(jìn)行擦除操作的過(guò)程中出現電源掉電的情況，需要軟件做相關(guān)的保護處理。為了設計一個(gè)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(guò)程特性。

2. 增加Flash 模擬EEPROM 擦寫(xiě)壽命的方法

可以根據用戶(hù)的需求采用不同的方法實(shí)現Flash 存儲器模擬EEPROM。

2.1 虛擬地址加數據方案

通常需要兩個(gè)頁(yè)以上的Flash 空間來(lái)模擬EEPROM。上電后，初始化代碼先查找出有效頁(yè)，同時(shí)將另外一個(gè)頁(yè)初始化為擦除狀況，以提供字節寫(xiě)的能力，并用作備份和隨時(shí)準備執行寫(xiě)入操作。需要存儲EEPROM 的變量數據首先寫(xiě)入有效頁(yè)，當有效頁(yè)寫(xiě)滿(mǎn)后，需將所有數據的最后狀態(tài)保存到備份頁(yè)，并切換到備份頁(yè)進(jìn)行操作。每一頁(yè)的第一個(gè)字節通常用來(lái)指示該頁(yè)的狀態(tài)。

每個(gè)頁(yè)存在3 種可能狀態(tài)：

擦除態(tài)：該頁(yè)是空的。

已寫(xiě)滿(mǎn)數據狀態(tài)：該頁(yè)已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)數據，準備切換到下一個(gè)頁(yè)進(jìn)行操作。

有效頁(yè)狀態(tài)：該頁(yè)包含著(zhù)有效數據并且標示狀態(tài)尚未改變，所有的有效數據全部拷貝到了已經(jīng)擦除的頁(yè)。

下圖以采用兩個(gè)頁(yè)模擬EEPROM的方式為例，描述了頁(yè)狀態(tài)字的在頁(yè)0 和頁(yè)1 之間的切換過(guò)程。

采用這種方式，用戶(hù)不知道數據刷新的頻率。

下面的圖例以采用兩個(gè)頁(yè)模擬EEPROM 的應用方式為例進(jìn)行描述。為了方便獲取模擬EEPROM數據和更新數據內容，每個(gè)存儲變量元素都在Flash 里定義了一個(gè)操作單元，在該操作單元中對每個(gè)存

儲變量元素都分配一個(gè)虛擬操作地址，即一個(gè)EEPROM 操作單元包含一個(gè)虛擬地址單元和一個(gè)數據單元。當需要修改數據單元內容時(shí)，新的數據內容和之前分配的虛擬地址一同寫(xiě)入一個(gè)新的模擬EEPROM存儲器單元中，同時(shí)返回最新修改的數據內容。EEPROM存儲單元格式描述如圖二。

使用虛擬地址加數據的方案總結如下。

• 為每一個(gè)目標存儲變量分配一個(gè)虛擬地址，該虛擬地址需一同存入Flash 中。當讀取存儲變量?jì)热輹r(shí)，需根據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(xiě)入的物理目的地址;在每一次執行寫(xiě)入操作后，根據EEPROM存儲單元大小(操作粒度)，將目的操作指針自動(dòng)累加。

• 當一個(gè)頁(yè)(Page)寫(xiě)滿(mǎn)后，需要將所有變量的EEPROM數據拷貝到下一個(gè)頁(yè)，再執行該頁(yè)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(xiě)入數據的正確性并監Flash 是否已經(jīng)失效。

2.2 劃分子頁(yè)方案

在Flash 中劃分出至少2 個(gè)頁(yè)(Page)用作模擬EEPROM，根據應用需求將需寫(xiě)入EEPROM 進(jìn)行保存的變量數據劃分成一個(gè)定長(cháng)的數組(子頁(yè))，例如16 個(gè)字節或者32 字節，將頁(yè)劃分成若干子頁(yè)后，需對Flash 中的所有子頁(yè)按照地址順序進(jìn)行逐次編號。每個(gè)子頁(yè)的第一個(gè)字節通常用來(lái)指示該子頁(yè)的狀態(tài)，子頁(yè)狀態(tài)可以為：空、已寫(xiě)入或者失效。

在芯片上電初始化時(shí)，首先查找出第一個(gè)尚未寫(xiě)入數據的子頁(yè)，并進(jìn)行標識，在進(jìn)行寫(xiě)EEPROM操作時(shí)，應用程序需將待寫(xiě)入EEPROM 子頁(yè)的所有數據按照事先約定好的順序整理好，再一次性將所有變量數據寫(xiě)入空的子頁(yè)中，最后將模擬EEPROM 的操作指針指向下一個(gè)空閑的子頁(yè)，等待下一次寫(xiě)入。待將一個(gè)頁(yè)的數據寫(xiě)滿(mǎn)后，再進(jìn)行一次擦除操作。需要處理好指向子頁(yè)的指針的跳轉。