在一個單片機系統(tǒng)中，往往要求系統(tǒng)能夠為用戶保存一些參數(shù)或數(shù)值。這些數(shù)據(jù)被要求在系統(tǒng)斷電后不會“消失”，并在下一次開機后能夠被讀取和修改。

　　隨著單片機內(nèi)部集成功能的不斷增加，使用片外數(shù)據(jù)存儲器的做法逐漸被含有片內(nèi)可擦寫存儲單元的單片機所取代。早期用戶可將需要保存的數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)Flash內(nèi)，但這種做法對Flash 內(nèi)程序代碼乃至整個系統(tǒng)存在安全性隱患，在片內(nèi)集成獨立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)成了單片機芯片設(shè)計的必然趨勢。例如Atmel 公司在AVR 系列單片機產(chǎn)品中，就融入了先進的E2 PROM 電可擦除技術(shù)，使該公司的單片機具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。但不管是將數(shù)據(jù)保存在Flash 內(nèi)還是保存在E2PROM 內(nèi)，都存在一個存儲單元可擦寫次數(shù)的上限。通常芯片廠家標(biāo)明的是1 000 000 次以上;而對于單片機系統(tǒng)的設(shè)計者來說，有部分保存在E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運行過程中是需要被頻繁擦寫的。當(dāng)存放這些數(shù)據(jù)的片內(nèi)存儲單元達到擦寫次數(shù)上限時，這個存儲單元就不能再使用了，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

　　另外，單片機內(nèi)部的E2PROM 空間相對于有待保存的數(shù)據(jù)量來說是有很大富余的。也就是說，當(dāng)單片機由于

　　內(nèi)部E2PROM 擦寫次數(shù)超過極限而不能正常工作時，片內(nèi)仍然有較多的E2PROM 空間沒有被利用過，因而產(chǎn)生單片機內(nèi)部資源的極大浪費。

　　本文以AVR 系列單片機中的ATmega8 為例，從程序設(shè)計角度出發(fā)，提出一種切實可行的E2PROM 數(shù)據(jù)存儲策略，最大限度地提高片內(nèi)E2 PROM 空間的利用率，從而解決上面提到的問題。

　　1、E2PROM數(shù)據(jù)動態(tài)存儲的基本要求

　　一般，把數(shù)據(jù)存儲方式設(shè)定為靜態(tài)，即為固定的地址指定惟一的變量，任何時候讀取和改寫此地址內(nèi)數(shù)據(jù)的操作均視為對該變量的讀取和改寫。然而這樣的存儲方式若被用于E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)E2PROM 的某一單元因過量擦寫而失效后，這個固定地址內(nèi)所存放的變量就失去了有效的對應(yīng)物理空間，這是在做E2PROM 數(shù)據(jù)存儲時不愿意看到的。

　　解決上述問題的有效方法是對E2PROM 數(shù)據(jù)實行動態(tài)存儲。其基本要求和目標(biāo)是：

　?、?在整個系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，使E2PROM 空間得到最大利用;

　?、?系統(tǒng)能夠辨別不能使用的E2PROM 單元，從而保障數(shù)據(jù)安全。

　　2 、策略分析

　　為方便敘述，將整個E2PROM 空間分為以下幾個部分：統(tǒng)稱已經(jīng)分配給用戶使用的地址連續(xù)的E2PROM 區(qū)

　　域為“占用塊”;稱未曾分配的地址連續(xù)的E2PROM 區(qū)域為“可利用塊”或“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，還要在E2PROM 內(nèi)劃定一個地址連續(xù)的區(qū)域作為“目錄表”。這個目錄表記錄的是占用塊中實際占用空間的地址。與此對應(yīng)的， 占用塊中另外的部分就是廢棄空間（單元） 。

　　采取這樣的策略，在高地址的空閑塊中先放入目錄表。該目錄表的大小決定于占用塊中實際占用單元的多少，目錄表記錄實際占用單元的地址;占用塊從低地址的空閑塊開始分配，系統(tǒng)不再回收已經(jīng)分配的占用塊，一直到占用塊中出現(xiàn)廢棄單元，系統(tǒng)就為其把現(xiàn)有的占用塊擴大，同時修改目錄表中的相關(guān)地址信息。

　　在系統(tǒng)運行初期，如果地址信息與數(shù)據(jù)信息同類型，那么占用塊和目錄表所占空間大小是一樣的，且目錄表是

　　一個低地址的序列。如圖1 所示，如果單片機內(nèi)有N個E2PROM 存儲單元內(nèi)，則在高地址開辟一個目錄表空間，記錄m 個實際占用單元的地址，即0 ，1 ，2 ， …，m-1 。

　　當(dāng)系統(tǒng)運行到一定時間后，占用塊中的某一個單元會因為E2PROM 數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)超過限次而失效被廢棄，不妨假設(shè)這個單元地址是002H ，那么，系統(tǒng)就開始查找當(dāng)前目錄表中所記錄的最大地址值，如圖2 所示。這個最大地址值加1 ，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址，這里是（m-1）+1 = m。同時，目錄表所記錄的該內(nèi)容的地址也做出相應(yīng)修改。

　　可以預(yù)想的是，接著系統(tǒng)在一定時間后，會出現(xiàn)第2個廢棄單元，假設(shè)這個單元地址是000H。依次類推，如圖3 所示，系統(tǒng)會為D0 分配地址m+1 所指向的空間，同時目錄表內(nèi)原先表示D0 所在的地址值會被更改為m+1 。

　　隨著E2PROM 內(nèi)廢棄單元的逐漸增加，空閑塊的大小不斷縮小。當(dāng)出現(xiàn)新的廢棄單元而沒有空閑塊可以利用時，系統(tǒng)會出現(xiàn)故障。采用這樣的策略后，相對于首次出現(xiàn)廢棄單元系統(tǒng)便被摧毀來說，實際上這個出現(xiàn)故障的時間已經(jīng)被大大延緩了。

　　設(shè)Di 在固定E2 PROM 單元可存放的壽命為ti 。這個值與系統(tǒng)中要求Di 被修改的平均次數(shù)有關(guān)，其中i = 0 ，1 ，2 ， …， m - 1 。

　　在一個單片機系統(tǒng)中，往往要求系統(tǒng)能夠為用戶保存一些參數(shù)或數(shù)值。這些數(shù)據(jù)被要求在系統(tǒng)斷電后不會“消失”，并在下一次開機后能夠被讀取和修改。

　　隨著單片機內(nèi)部集成功能的不斷增加，使用片外數(shù)據(jù)存儲器的做法逐漸被含有片內(nèi)可擦寫存儲單元的單片機所取代。早期用戶可將需要保存的數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)Flash內(nèi)，但這種做法對Flash 內(nèi)程序代碼乃至整個系統(tǒng)存在安全性隱患，在片內(nèi)集成獨立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)成了單片機芯片設(shè)計的必然趨勢。例如Atmel 公司在AVR 系列單片機產(chǎn)品中，就融入了先進的E2 PROM 電可擦除技術(shù)，使該公司的單片機具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。但不管是將數(shù)據(jù)保存在Flash 內(nèi)還是保存在E2PROM 內(nèi)，都存在一個存儲單元可擦寫次數(shù)的上限。通常芯片廠家標(biāo)明的是1 000 000 次以上;而對于單片機系統(tǒng)的設(shè)計者來說，有部分保存在E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運行過程中是需要被頻繁擦寫的。當(dāng)存放這些數(shù)據(jù)的片內(nèi)存儲單元達到擦寫次數(shù)上限時，這個存儲單元就不能再使用了，從而會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

　　另外，單片機內(nèi)部的E2PROM 空間相對于有待保存的數(shù)據(jù)量來說是有很大富余的。也就是說，當(dāng)單片機由于

　　內(nèi)部E2PROM 擦寫次數(shù)超過極限而不能正常工作時，片內(nèi)仍然有較多的E2PROM 空間沒有被利用過，因而產(chǎn)生單片機內(nèi)部資源的極大浪費。

　　本文以AVR 系列單片機中的ATmega8 為例，從程序設(shè)計角度出發(fā)，提出一種切實可行的E2PROM 數(shù)據(jù)存儲策略，最大限度地提高片內(nèi)E2 PROM 空間的利用率，從而解決上面提到的問題。

　　1、E2PROM數(shù)據(jù)動態(tài)存儲的基本要求

　　一般，把數(shù)據(jù)存儲方式設(shè)定為靜態(tài)，即為固定的地址指定惟一的變量，任何時候讀取和改寫此地址內(nèi)數(shù)據(jù)的操作均視為對該變量的讀取和改寫。然而這樣的存儲方式若被用于E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)E2PROM 的某一單元因過量擦寫而失效后，這個固定地址內(nèi)所存放的變量就失去了有效的對應(yīng)物理空間，這是在做E2PROM 數(shù)據(jù)存儲時不愿意看到的。

　　解決上述問題的有效方法是對E2PROM 數(shù)據(jù)實行動態(tài)存儲。其基本要求和目標(biāo)是：

　?、?在整個系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，使E2PROM 空間得到最大利用;

　?、?系統(tǒng)能夠辨別不能使用的E2PROM 單元，從而保障數(shù)據(jù)安全。

　　2 、策略分析

　　為方便敘述，將整個E2PROM 空間分為以下幾個部分：統(tǒng)稱已經(jīng)分配給用戶使用的地址連續(xù)的E2PROM 區(qū)

　　域為“占用塊”;稱未曾分配的地址連續(xù)的E2PROM 區(qū)域為“可利用塊”或“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，還要在E2PROM 內(nèi)劃定一個地址連續(xù)的區(qū)域作為“目錄表”。這個目錄表記錄的是占用塊中實際占用空間的地址。與此對應(yīng)的， 占用塊中另外的部分就是廢棄空間（單元） 。

　　采取這樣的策略，在高地址的空閑塊中先放入目錄表。該目錄表的大小決定于占用塊中實際占用單元的多少，目錄表記錄實際占用單元的地址;占用塊從低地址的空閑塊開始分配，系統(tǒng)不再回收已經(jīng)分配的占用塊，一直到占用塊中出現(xiàn)廢棄單元，系統(tǒng)就為其把現(xiàn)有的占用塊擴大，同時修改目錄表中的相關(guān)地址信息。

　　在系統(tǒng)運行初期，如果地址信息與數(shù)據(jù)信息同類型，那么占用塊和目錄表所占空間大小是一樣的，且目錄表是

　　一個低地址的序列。如圖1 所示，如果單片機內(nèi)有N個E2PROM 存儲單元內(nèi)，則在高地址開辟一個目錄表空間，記錄m 個實際占用單元的地址，即0 ，1 ，2 ， …，m-1 。

　　當(dāng)系統(tǒng)運行到一定時間后，占用塊中的某一個單元會因為E2PROM 數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)超過限次而失效被廢棄，不妨假設(shè)這個單元地址是002H ，那么，系統(tǒng)就開始查找當(dāng)前目錄表中所記錄的最大地址值，如圖2 所示。這個最大地址值加1 ，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址，這里是（m-1）+1 = m。同時，目錄表所記錄的該內(nèi)容的地址也做出相應(yīng)修改。

　　可以預(yù)想的是，接著系統(tǒng)在一定時間后，會出現(xiàn)第2個廢棄單元，假設(shè)這個單元地址是000H。依次類推，如圖3 所示，系統(tǒng)會為D0 分配地址m+1 所指向的空間，同時目錄表內(nèi)原先表示D0 所在的地址值會被更改為m+1 。

　　隨著E2PROM 內(nèi)廢棄單元的逐漸增加，空閑塊的大小不斷縮小。當(dāng)出現(xiàn)新的廢棄單元而沒有空閑塊可以利用時，系統(tǒng)會出現(xiàn)故障。采用這樣的策略后，相對于首次出現(xiàn)廢棄單元系統(tǒng)便被摧毀來說，實際上這個出現(xiàn)故障的時間已經(jīng)被大大延緩了。

　　設(shè)Di 在固定E2 PROM 單元可存放的壽命為ti 。這個值與系統(tǒng)中要求Di 被修改的平均次數(shù)有關(guān)，其中i = 0 ，1 ，2 ， …， m - 1 。

　　3、實現(xiàn)流程

　　圖4 為實現(xiàn)上述策略的程序流程。

　　在每一次E2PROM 數(shù)據(jù)存儲的過程中，首先都需要從目錄表中查找該數(shù)據(jù)在占用塊內(nèi)的地址add［ i ］ ，然后將新數(shù)據(jù)D［i］寫入該地址。單從算法的角度考慮，認為不存在寫失敗或讀失敗的情況，那么隨后將寫好的數(shù)據(jù)再讀出，通過驗證數(shù)據(jù)的正確性就可以判別該占用單元是不是應(yīng)該廢棄。如果驗證通過，修改操作完成;如果驗證沒有通過，則廢棄該地址空間，并通過查詢目錄表，向后開辟新的占用單元，之后重復(fù)存儲過程。

　　4、示例

　　AVR 單片機在片內(nèi)集成了可以擦寫1 000 000 次的E2PROM 數(shù)據(jù)存儲器，用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)保存，方便使用，減少系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。下面以AVR 系列中的ATmega8為例，介紹上述的E2 PROM 動態(tài)存儲策略的C語言程序?qū)崿F(xiàn)。

　　結(jié) 語

　　集成獨立E2 PROM 數(shù)據(jù)存儲器是單片機設(shè)計的必然發(fā)展趨勢。對于單片機的用戶來說，怎樣更合理、更科學(xué)地利用好單片機的這些內(nèi)部資源，需要不斷地探索和總結(jié)。本文在這方面作了一些努力和有益的嘗試。