《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
來源:德州儀器

摘要

    在嵌入式設(shè)計中,許多應(yīng)用設(shè)計都需要使用EEPROM 存儲非易失性數(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 來模擬EEPROM,通過一定的軟件處理算法,可以大大增加數(shù)據(jù)存儲周期的一種方法。本文給出了實現(xiàn)上述功能的軟件流程。

1. 嵌入式Flash 存儲介質(zhì)與EEPROM 的主要特性對比

    電可擦除和編程只讀存儲器(EEPROM)是在絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用中都會使用到的用于保存非易失性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵器件,用于在程序運行期間保存數(shù)據(jù)。Flash 閃存(Flash Memory,簡稱為"Flash")是一種非易失性( Non-Volatile )存儲器,廣泛應(yīng)用于各種嵌入式處理器中,用于存儲程序代碼。

    由于硬件成本原因,在許多嵌入式處理器中并沒有集成EEPROM 模塊,通常我們可以采用在片內(nèi)Flash 存儲器中保存非易失性數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式來達(dá)到使用要求。對一些普通的應(yīng)用場合,這種使用方式可以滿足要求。

表一 EEPROM與Flash 對比分析

特性

EEPROM

MSP430G 系列Flash

寫時間

幾個ms

隨機(jī)字節(jié)寫:5 到10 ms

頁寫: 100μs每字 (5 to 10 ms 每頁 )

字節(jié)寫:30 個Flash 操作時鐘

周期,典型數(shù)據(jù)70us

擦除時間

N/A

頁擦除:4819 個Flash 操作時

鐘周期,典型數(shù)據(jù)10ms

全部擦除:10593 個Flash 操作

時鐘周期,典型數(shù)據(jù)20ms

擦寫方法

一旦啟動寫動作,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

讀取訪問方式

連續(xù)方式: 大概100μs

隨機(jī)字方式: 大概92μs

頁方式: 22.5μs 每字節(jié)

N/A

擦除次數(shù)

10 萬次以上,典型參數(shù)100 萬次

1 萬次以上,典型參數(shù)10 萬次


1.1 寫訪問時間

    由于EEPROM 和Flash 的工作特性不同,所以寫訪問時間也不相同。Flash 具有更短的寫訪問時間,所以更適用于對存儲速度有要求的場合。

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保證在芯片掉電時能夠維持供電,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)計者增加相關(guān)的處理來應(yīng)對可能存在的異常。

1.3 擦寫時間

    EEPROM和采用Flash 模擬EEPROM在擦除時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 需要幾個毫秒時間進(jìn)行擦除操作,所以如果在進(jìn)行擦除操作的過程中出現(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)計一個健壯的Flash 存儲器的管理軟件,需要深入的了解和掌握Flash 存儲器的擦除過程特性。

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現(xiàn)Flash 存儲器模擬EEPROM。

2.1 虛擬地址加數(shù)據(jù)方案

    通常需要兩個頁以上的Flash 空間來模擬EEPROM。上電后,初始化代碼先查找出有效頁,同時將另外一個頁初始化為擦除狀況,以提供字節(jié)寫的能力,并用作備份和隨時準(zhǔn)備執(zhí)行寫入操作。需要存儲EEPROM 的變量數(shù)據(jù)首先寫入有效頁,當(dāng)有效頁寫滿后,需將所有數(shù)據(jù)的最后狀態(tài)保存到備份頁,并切換到備份頁進(jìn)行操作。每一頁的第一個字節(jié)通常用來指示該頁的狀態(tài)。

    每個頁存在3 種可能狀態(tài):

     擦除態(tài):該頁是空的。

    已寫滿數(shù)據(jù)狀態(tài):該頁已經(jīng)寫滿數(shù)據(jù),準(zhǔn)備切換到下一個頁進(jìn)行操作。

    有效頁狀態(tài):該頁包含著有效數(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。

    下圖以采用兩個頁模擬EEPROM的方式為例,描述了頁狀態(tài)字的在頁0 和頁1 之間的切換過程。



    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頁模擬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,每個存儲變量元素都在Flash 里定義了一個操作單元,在該操作單元中對每個存

    儲變量元素都分配一個虛擬操作地址,即一個EEPROM 操作單元包含一個虛擬地址單元和一個數(shù)據(jù)單元。當(dāng)需要修改數(shù)據(jù)單元內(nèi)容時,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新的模擬EEPROM存儲器單元中,同時返回最新修改的數(shù)據(jù)內(nèi)容。EEPROM存儲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。

• 為每一個目標(biāo)存儲變量分配一個虛擬地址,該虛擬地址需一同存入Flash 中。當(dāng)讀取存儲變量內(nèi)容時,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存儲單元大?。ú僮髁6龋?,將目的操作指針自動累加。

• 當(dāng)一個頁(Page)寫滿后,需要將所有變量的EEPROM數(shù)據(jù)拷貝到下一個頁,再執(zhí)行該頁的擦除操作。

• 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)Flash 是否已經(jīng)失效。

2.2 劃分子頁方案

     在Flash 中劃分出至少2 個頁(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)劃分成一個定長的數(shù)組(子頁),例如16 個字節(jié)或者32 字節(jié),將頁劃分成若干子頁后,需對Flash 中的所有子頁按照地址順序進(jìn)行逐次編號。每個子頁的第一個字節(jié)通常用來指示該子頁的狀態(tài),子頁狀態(tài)可以為:空、已寫入或者失效。

     在芯片上電初始化時,首先查找出第一個尚未寫入數(shù)據(jù)的子頁,并進(jìn)行標(biāo)識,在進(jìn)行寫EEPROM操作時,應(yīng)用程序需將待寫入EEPROM 子頁的所有數(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)寫入空的子頁中,最后將模擬EEPROM 的操作指針指向下一個空閑的子頁,等待下一次寫入。待將一個頁的數(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的指針的跳轉(zhuǎn)。

每個頁存在3 種可能狀態(tài):

擦除態(tài):該頁是空的。

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

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

圖三介紹了使用子頁的方式實現(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,F(xiàn)lash 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?,再將該子頁的?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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