《電子技術(shù)應(yīng)用》
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提高M(jìn)SP430G系列單片機(jī)的Flash擦寫壽命的方法

2012-12-05
作者:Evan Lee --- MSP430 產(chǎn)品技術(shù)支持
來(lái)源:德州儀器

摘要

    在嵌入式設(shè)計(jì)中,許多應(yīng)用設(shè)計(jì)都需要使用EEPROM 存儲(chǔ)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(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(jī)中并不具備EEPROM,。為了存儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)模擬EEPROM,通過(guò)一定的軟件處理算法,,可以大大增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。

1. 嵌入式Flash 存儲(chǔ)介質(zhì)與EEPROM 的主要特性對(duì)比

    電可擦除和編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)是在絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用中都會(huì)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(jiǎn)稱為"Flash")是一種非易失性( Non-Volatile )存儲(chǔ)器,,廣泛應(yīng)用于各種嵌入式處理器中,,用于存儲(chǔ)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(nèi)Flash 存儲(chǔ)器中保存非易失性數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式來(lái)達(dá)到使用要求。對(duì)一些普通的應(yīng)用場(chǎng)合,,這種使用方式可以滿足要求,。

表一 EEPROM與Flash 對(duì)比分析

特性

EEPROM

MSP430G 系列Flash

寫時(shí)間

幾個(gè)ms

隨機(jī)字節(jié)寫:5 到10 ms

頁(yè)寫: 100μs每字 (5 to 10 ms 每頁(yè) )

字節(jié)寫:30 個(gè)Flash 操作時(shí)鐘

周期,典型數(shù)據(jù)70us

擦除時(shí)間

N/A

頁(yè)擦除:4819 個(gè)Flash 操作時(shí)

鐘周期,,典型數(shù)據(jù)10ms

全部擦除:10593 個(gè)Flash 操作

時(shí)鐘周期,,典型數(shù)據(jù)20ms

擦寫方法

一旦啟動(dòng)寫動(dòng)作,不依賴CPU,,

但需要持續(xù)的電源供給

需要芯片內(nèi)部執(zhí)行升壓操作

讀取訪問(wèn)方式

連續(xù)方式: 大概100μs

隨機(jī)字方式: 大概92μs

頁(yè)方式: 22.5μs 每字節(jié)

N/A

擦除次數(shù)

10 萬(wàn)次以上,,典型參數(shù)100 萬(wàn)次

1 萬(wàn)次以上,典型參數(shù)10 萬(wàn)次


1.1 寫訪問(wèn)時(shí)間

    由于EEPROM 和Flash 的工作特性不同,,所以寫訪問(wèn)時(shí)間也不相同,。Flash 具有更短的寫訪問(wèn)時(shí)間,所以更適用于對(duì)存儲(chǔ)速度有要求的場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(lái)保證在芯片掉電時(shí)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(jì)者增加相關(guān)的處理來(lái)應(yīng)對(duì)可能存在的異常,。

1.3 擦寫時(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(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(jì)一個(gè)健壯的Flash 存儲(chǔ)器的管理軟件,需要深入的了解和掌握Flash 存儲(chǔ)器的擦除過(guò)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(shí)現(xiàn)Flash 存儲(chǔ)器模擬EEPROM,。

2.1 虛擬地址加數(shù)據(jù)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(jié)寫的能力,,并用作備份和隨時(shí)準(zhǔn)備執(zhí)行寫入操作,。需要存儲(chǔ)EEPROM 的變量數(shù)據(jù)首先寫入有效頁(yè),當(dāng)有效頁(yè)寫滿后,,需將所有數(shù)據(jù)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(jié)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,。

    已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài):該頁(yè)已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù),準(zhǔn)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(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,用戶不知道數(shù)據(jù)刷新的頻率,。

    下面的圖例以采用兩個(gè)頁(yè)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(gè)存儲(chǔ)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(duì)每個(gè)存

    儲(chǔ)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(shù)據(jù)單元。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)單元內(nèi)容時(shí),,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(gè)新的模擬EEPROM存儲(chǔ)器單元中,,同時(shí)返回最新修改的數(shù)據(jù)內(nèi)容。EEPROM存儲(chǔ)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(gè)目標(biāo)存儲(chǔ)變量分配一個(gè)虛擬地址,該虛擬地址需一同存入Flash 中,。當(dāng)讀取存儲(chǔ)變量?jī)?nèi)容時(shí),,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(chǔ)單元大?。ú僮髁6龋?,將目的操作指針自動(dòng)累加。

• 當(dāng)一個(gè)頁(yè)(Page)寫滿后,,需要將所有變量的EEPROM數(shù)據(jù)拷貝到下一個(gè)頁(yè),,再執(zhí)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(yàn)機(jī)制,,保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)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(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(gè)定長(zhǎng)的數(shù)組(子頁(yè)),,例如16 個(gè)字節(jié)或者32 字節(jié),,將頁(yè)劃分成若干子頁(yè)后,需對(duì)Flash 中的所有子頁(yè)按照地址順序進(jìn)行逐次編號(hào),。每個(gè)子頁(yè)的第一個(gè)字節(jié)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)尚未寫入數(shù)據(jù)的子頁(yè),并進(jìn)行標(biāo)識(shí),,在進(jìn)行寫EEPROM操作時(shí),,應(yīng)用程序需將待寫入EEPROM 子頁(yè)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(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),,等待下一次寫入,。待將一個(gè)頁(yè)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(yè)的指針的跳轉(zhuǎn),。

每個(gè)頁(yè)存在3 種可能狀態(tài):

擦除態(tài):該頁(yè)是空的。

已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài):該頁(yè)已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù),。

有效頁(yè)狀態(tài):該頁(yè)包含著有效數(shù)據(jù)并且該頁(yè)尚未寫滿,,仍可向子頁(yè)寫入數(shù)據(jù)。

圖三介紹了使用子頁(yè)的方式實(shí)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(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(yè)的大小,、子頁(yè)的大小,、每個(gè)頁(yè)的子頁(yè)數(shù)目等參數(shù),同時(shí)將需要操作的參數(shù)封裝起來(lái),,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(gè)API 接口給應(yīng)用程序調(diào)用,。

• 通過(guò)typedef 關(guān)鍵字定義設(shè)備類型,typedef unsigned char u8;

• ChkFstPowerOnInfo()用于檢測(cè)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(yè)中的起始字節(jié)編號(hào),,寫入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)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(yè)的編號(hào),在擦除函數(shù)中需要根據(jù)子頁(yè)的編號(hào)判斷是否需要執(zhí)行頁(yè)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(dòng)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(lái)保證,。



     采用劃分子頁(yè)的方案總結(jié)如下,。

• 每次寫入模擬EEPROM的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為定長(zhǎng),即為子頁(yè)的長(zhǎng)度,。

• 軟件需要定義一個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)變量進(jìn)行整理。

• 在軟件處理上,,需要計(jì)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(yè)長(zhǎng)度大小,,將指向子頁(yè)的目的操作指針自動(dòng)累加,。

• 待一個(gè)頁(yè)(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(gè)頁(yè),,再對(duì)寫滿頁(yè)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(cè)用于模擬EEPROM功能的Flash 子頁(yè)是否已經(jīng)失效,。

2.3 兩種方案的對(duì)比分析

     兩種方案的對(duì)比分析見(jiàn)表二,。

表二 兩種方案的對(duì)比分析

 

虛擬地址加數(shù)據(jù)的方案

劃分子頁(yè)的方案

優(yōu)點(diǎn)

對(duì)所有存儲(chǔ)變量進(jìn)行了虛擬地址預(yù)分配,完全模擬了EEPROM 的地址加變量數(shù)據(jù)的訪問(wèn)方式,,易于理解并且操作簡(jiǎn)便,。

對(duì)所有存儲(chǔ)變量進(jìn)行了封裝,通過(guò)由模擬EEPROM 驅(qū)動(dòng)模塊提供的API 接口進(jìn)行整體操作,,操作簡(jiǎn)便,。

存儲(chǔ)空間利用率高。

缺點(diǎn)



 

由于為每個(gè)存儲(chǔ)變量分配了虛擬地址,,在有限Flash 資源前提下,,存儲(chǔ)空間利用率低,理論利用率低于50%,。

每次數(shù)據(jù)保存,,都需要對(duì)整個(gè)子頁(yè)進(jìn)行寫操作,效率較低,。

在每次將數(shù)據(jù)保存到模擬EEPROM 之前,,需要應(yīng)用程序?qū)⒋龑懭氲淖兞繑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行整理,,增加軟件開(kāi)銷。

總結(jié)

兩種方案都可以提高Flash 的擦寫壽命,,用戶可以結(jié)合自己的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行方案選擇,;

在有限資源前提下,如需要更大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,,建議選擇劃分子頁(yè)的方式,;

在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)不同的需求,,將存儲(chǔ)變量進(jìn)行分類:將可能頻繁變化和需要保存的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash 模擬EEPROM(code Flash)中,,將不會(huì)經(jīng)常改變的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到信息Flash(information Flash)中,從而增加Flash 模擬EEPROM模塊的利用率,,更加靈活的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存,。


3. 實(shí)際的嵌入式應(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(huì)更廣泛,。

3.1 Flash 存儲(chǔ)器擦寫壽命的提升

    對(duì)于MSP430G 系列的Flash 存儲(chǔ)器,可以保證至少10000 次的編程和擦除壽命,。如圖六所示,。



圖六 MSP430G 系列單片機(jī)Flash 編程和擦除壽命

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

3.2 掉電時(shí)的異常處理

如果正在進(jìn)行Flash 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)發(fā)生掉電,,數(shù)據(jù)可能會(huì)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(huì)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(yè)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?yè),再將該子頁(yè)的數(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,。

4. 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

4.1 時(shí)鐘源的選擇

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

4.2 代碼在RAM中運(yùn)行

由于向Flash 寫入數(shù)據(jù)操作是通過(guò)執(zhí)行Flash 中程序代碼,對(duì)Flash 進(jìn)行擦除和編程操作,。由于對(duì)Flash 的編程需要mcu 內(nèi)部執(zhí)行一個(gè)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,。



圖七 使用關(guān)鍵字__ramfunc 將程序指定到Ram 中運(yùn)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(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(jì),,用戶可以結(jié)合具體的應(yīng)用進(jìn)行選擇,。

參考文檔

1. MSP430x2xx family user’s guide (SLAU144)
2. MSP430G2x53 datasheet (SLAS735)

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