實例分析MCU的Data Flash訪問控制

　　筆者在家用火災(zāi)報警系統(tǒng)項目的開發(fā)過程中，在進行主從機通訊和從機自身任務(wù)處理時，需要經(jīng)常與從機MCU進行運行數(shù)據(jù)的存取。過去傳統(tǒng)的方法是在MCU上外掛EEPROM或?qū)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/MCU">MCU內(nèi)部的部分存儲單元專門劃分出來，以存取運行數(shù)據(jù)。這兩種方法的不利之處是：外掛EEPROM需要增加MCU與EEPROM的讀寫接口，增加了MCU的管腳負擔，減慢了數(shù)據(jù)的讀寫速度的同時還增加了功耗；專門為運行數(shù)據(jù)劃分存儲單元則減少了程序代碼的存儲空間，同時存儲空間的讀寫、擦除等操作會比較麻煩，另外還要非常小心，以防擦掉了有用的程序代碼。

　　瑞薩RL78系列MCU內(nèi)嵌2KB的DATA FLASH，省去了用戶單獨外擴數(shù)據(jù)FLASH的麻煩。RL78系列MCU還支持BGO操作，程序指令在DATA FLASH讀寫時仍可正常執(zhí)行。其對DATA FLASH存儲單元的寫操作壽命高達1百萬次以上，非常適合于需要頻繁存取數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合。

　　與有些半導體廠商的控制芯片不同，瑞薩并沒有直接將DATA FLASH的讀寫操作完全開放給用戶，而是提供了一套叫做PFDL（Pico Data Flash Library，即微型數(shù)據(jù)閃存訪問庫）的軟件接口，來實現(xiàn)對閃存系統(tǒng)的操作。用戶使用時只需要調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)即可進行DATA FLASH的讀寫、校驗、擦除等操作，而不必關(guān)心底層驅(qū)動函數(shù)的具體實現(xiàn)方式。這在很大程度上方便了用戶程序的設(shè)計，縮短了開發(fā)周期。

　　1）DATA FLASH結(jié)構(gòu)和PFDL

　　RL78的存儲結(jié)如圖1所示。其中Data Flash memory物理地址為F1000H-F17FFH，被分成了兩個BLOCK區(qū)，每個BLOCK區(qū)1KB，共2KB。

　　圖1：瑞薩RL78系列MCU的存儲結(jié)構(gòu)

　　PFDL由表1所示的庫文件組成。

　　表1：PFDL庫文件

　　2）Data Flash的存儲結(jié)構(gòu)和使用方法

　　首先有必要將RL78系列MCU關(guān)于DATA FLASH操作的幾個問題進行說明。RL78系列DATA FLASH的擦除操作只能以BLOCK為單位，不支持單字或單字節(jié)擦除。所以當有一項長度為若干字節(jié)的數(shù)據(jù)要寫入DATA FLASH時，不可能將數(shù)據(jù)每次都寫入固定的物理地址所對應(yīng)的存儲單元中，而是必須在新的空存儲單元中寫入。這就意味著用戶在設(shè)計DATA FLASH的存儲結(jié)構(gòu)時，必須有尋址功能。

　　RL78系列DATA FLASH同一時刻只能有1個BLOCK處于激活狀態(tài)，是有效的，此時另一個BLOCK不可訪問，是無效的。習慣上，我們常將DATA FLASH的一個BLOCK稱為一頁，當一個有效頁被寫滿數(shù)據(jù)時，要想繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)的話，則只能在下一頁中寫入，同時還需要將前一頁中有用的其他數(shù)據(jù)項拷貝到下一頁中，并將下一頁標記為當前的有效頁，將上一頁標記為無效頁，即必須有DATA FLASH的頁標記和導頁機制。

　　為此，筆者將整個DATA FLASH分成兩頁（每個BLOCK自然形成一頁，兩頁交替使用），每頁的起始地址作為頁標記單元，見表2。每次進行DATA FLASH操作前應(yīng)先讀取該標記單元來確認當前有效頁。

表2：頁標記

　　如前所述，各種數(shù)據(jù)項同時在DATA FLASH中存在時，其存儲地址是不固定的，如不加以區(qū)分，將不能識別數(shù)據(jù)，所以為實現(xiàn)DATA FLASH的尋址功能，我們引入數(shù)據(jù)項索引的概念。在每頁DATA FLASH中，將存儲單元一分為二，上半部分用于存放數(shù)據(jù)項索引，數(shù)據(jù)項索引用于在DATA FLASH中區(qū)別各種不同的數(shù)據(jù)項，并指示其代表的數(shù)據(jù)項在DATA FLASH中存儲的相對地址。下半部分用于存放各種數(shù)據(jù)項。

　　為進一步描述的方便，我們不妨舉例說明，假設(shè)用戶有A、B、C、D四種數(shù)據(jù)項需要在DATA FLASH中存取，每種數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)長度分別為1、2、3、4字節(jié)，其定義如表3所示。

　　表3：數(shù)據(jù)項定義

　　一個典型的DATA FLASH存儲結(jié)構(gòu)的例子如圖2所示。頁標記占用每頁的相對起始地址單元。相對地址0x0001~0x01FF定義為數(shù)據(jù)項索引區(qū)，每個數(shù)據(jù)項索引包含3個字節(jié)，分別是數(shù)據(jù)項索引、索引數(shù)據(jù)地址低字節(jié)、索引數(shù)據(jù)地址高字節(jié)。相對地址0x0200~0x03FF定義為數(shù)據(jù)項存儲區(qū)。

　　向DATA FLASH寫入數(shù)據(jù)時，先找到當前有效頁，然后在當前頁中查找是否有可供寫入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲空間和索引空間。查找時可采取自上而下的查找順序，先分別從每頁數(shù)據(jù)項索引區(qū)和數(shù)據(jù)項存儲區(qū)的相對起始地址開始查找空白單元，若有滿足該數(shù)據(jù)項存儲要求的連續(xù)空白存儲單元，則調(diào)用寫FLASH庫函數(shù)將數(shù)據(jù)項索引和數(shù)據(jù)項寫入該存儲空間。

　　圖2：DATA FLASH存儲結(jié)構(gòu)

　　從DATA FLASH讀取數(shù)據(jù)時，先找到當前有效頁，然后在當前頁中查找所要讀取的數(shù)據(jù)位于何處，即尋址。查找時應(yīng)采取自下而上的查找順序（可確保每次查找到的是該種數(shù)據(jù)項的最新數(shù)據(jù)），從每頁數(shù)據(jù)項索引區(qū)的相對結(jié)束地址開始查找數(shù)據(jù)項索引，若索引匹配則表明數(shù)據(jù)項找到，若未找到匹配索引則表明要讀取的數(shù)據(jù)項未找到（未寫入DATA FLASH），可設(shè)計函數(shù)返回不同值來表示是否找到數(shù)據(jù)項。當索引匹配時，讀出存儲在索引數(shù)據(jù)地址單元中的數(shù)據(jù)項地址，調(diào)用讀FLASH庫函數(shù)讀出數(shù)據(jù)項即可。

　　3）總結(jié)

　　使用上述DATA FLASH存儲結(jié)構(gòu)和存取規(guī)則，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的可尋址和頁交替，比較充分的利用數(shù)據(jù)存儲空間。另外，數(shù)據(jù)項索引區(qū)和數(shù)據(jù)項存儲區(qū)的劃分并不一定要各占一半存儲空間，而應(yīng)根據(jù)實際的各種數(shù)據(jù)項長度來選擇優(yōu)化，當每種數(shù)據(jù)項字節(jié)數(shù)較多時，可適當增加數(shù)據(jù)項存儲區(qū)的空間，避免存儲空間浪費。為了使數(shù)據(jù)存儲更加可靠，可使用數(shù)據(jù)的三備份存儲機制：實際存儲的每個數(shù)據(jù)項，均按順序地址依次進行三備份存儲，讀取時必須有兩個備份相同才能確認數(shù)據(jù)有效。