提高M(jìn)SP430G系列單片機(jī)的Flash 擦寫壽命的方法
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2.2.1 軟件描述
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/257217.htm在軟件實現(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、頁的大小、子頁的大小、每個頁的子頁數(shù)目等參數(shù)，同時將需要操作的參數(shù)封裝起來，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API 接口給應(yīng)用程序調(diào)用。
- 通過typedef 關(guān)鍵字定義設(shè)備類型，typedef unsigned char u8;
- ChkFstPowerOnInfo（）用于檢測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)在子頁中的起始字節(jié)編號，寫入數(shù)據(jù)的長度，原型如下。
- void FlashWrite( u8 *array, u8 startNum, u8 length );
- FlashErase（）用于擦除Flash，傳遞的形參是子頁的編號，在擦除函數(shù)中需要根據(jù)子頁的編號判斷是否需要執(zhí)行頁的擦除操作，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，可以增加一些校驗算法來保證。
采用劃分子頁的方案總結(jié)如下。
- 每次寫入模擬EEPROM的數(shù)據(jù)長度為定長，即為子頁的長度。
- 軟件需要定義一個存儲變量結(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)存儲變量進(jìn)行整理。
- 在軟件處理上，需要計算當(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)子頁長度大小，將指向子頁的目的操作指針自動累加。
- 待一個頁（Page）寫滿后，需要將最后更新的模擬EEPROM數(shù)據(jù)拷貝到下一個頁，再對寫滿頁執(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機(jī)制，保證寫入數(shù)據(jù)的正確性并監(jiān)測用于模擬EEPROM功能的Flash 子頁是否已經(jīng)失效。
2.3 兩種方案的對比分析
兩種方案的對比分析見表二。
表二 兩種方案的對比分析
虛擬地址加數(shù)據(jù)的方案 | 劃分子頁的方案 | |
優(yōu)點 | 對所有存儲變量進(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)的訪問方式，易于理解并且操作簡便。 | 對所有存儲變量進(jìn)行了封裝，通過由模擬EEPROM 驅(qū)動模塊提供的API 接口進(jìn)行整體操作，操作簡便。 存儲空間利用率高。 |
缺點 | 由于為每個存儲變量分配了虛擬地址，在有限Flash 資源前提下，存儲空間利用率低，理論利用率低于50%。 | 每次數(shù)據(jù)保存，都需要對整個子頁進(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)存儲空間，建議選擇劃分子頁的方式； 在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需求，將存儲變量進(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)存儲到Flash 模擬EEPROM（code Flash）中，將不會經(jīng)常改變的非易失性數(shù)據(jù)存儲到信息Flash（information Flash）中，從而增加Flash 模擬EEPROM模塊的利用率，更加靈活的實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存。 | |
3. 實際的嵌入式應(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，適用性會更廣泛。
3.1 Flash 存儲器擦寫壽命的提升
對于MSP430G 系列的Flash 存儲器，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
采用劃分小頁結(jié)合至少分配2 個大頁的操作方式，則可以大大增加Flash 模擬EEPROM 的擦寫壽命。例如，對于MSP430G 系列單片機(jī)，如果將每個小頁的尺寸劃分為16 字節(jié)，采用2 個大頁（每頁512 字節(jié)）作為模擬EEPROM 使用，則可以提供64 個操作子頁（(512/16)x2=64），可以保證至少640000 次的擦寫壽命。
3.2 掉電時的異常處理
如果正在進(jìn)行Flash 數(shù)據(jù)存儲時發(fā)生掉電，數(shù)據(jù)可能會保存不成功，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摚賹⒃撟禹摰臄?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
4.1 時鐘源的選擇
由于驅(qū)動Flash 的時鐘源（ACLK、MCLK、SMCLK）和時鐘頻率可以設(shè)定，為了保證在將數(shù)據(jù)寫入模擬EEPROM時的可靠性，建議在將Flash 的時鐘頻率降低后，再對其進(jìn)行操作。例如將Flash 的時鐘頻率降低到1MHz 后，進(jìn)行寫入操作。需要注意，在降低了時鐘頻率后，若此時鐘源也是定時器（Timer）的時鐘源，則可能會影響到定時器的定時準(zhǔn)確性，需要軟件上做好處理。
4.2 代碼在RAM中運行
由于向Flash 寫入數(shù)據(jù)操作是通過執(zhí)行Flash 中程序代碼，對Flash 進(jìn)行擦除和編程操作。由于對Flash 的編程需要mcu 內(nèi)部執(zhí)行一個升壓操作，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，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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