提高 MSP430G 系列單片機(jī)的 Flash 擦寫(xiě)壽命的方法

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)滿數(shù)據(jù)狀態(tài)：該頁(yè)已經(jīng)寫(xiě)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(xiě)滿，仍可向子頁(yè)寫(xiě)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，Flash 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(xiě)Flash，傳遞的形參包括指向待寫(xiě)入數(shù)據(jù)的指針，待寫(xiě)入數(shù)據(jù)在子頁(yè)中的起始字節(jié)編號(hào)，寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)入和下一次寫(xiě)入的物理地址;在每一次執(zhí)行寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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

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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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?xiě)入的子頁(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(xiě)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(xiě)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(xiě)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。