0 引言

　　在嵌入式系統(tǒng)設計中，經(jīng)常需要存儲一些關鍵參數(shù)，系統(tǒng)在復位或掉電后依賴于保存的這些參數(shù)才能正常運行。這些數(shù)據(jù)通常保存在EEPROM存儲器中。隨著半導體技術發(fā)展，基于Flash技術的單片機越來越多，片內(nèi)集成的Flash容量也越來越大，處理器片內(nèi)存儲數(shù)據(jù)已經(jīng)成為常規(guī)選擇，不僅可以節(jié)約成本，也可以起到較好的保密作用。

　　保存數(shù)據(jù)需要考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)存儲器件的讀寫次數(shù)，EEPROM可以承受百萬次數(shù)量級的擦除/寫入操作，NOR Flash存儲器擦寫次數(shù)可達10萬次。而微處理器片內(nèi)集成的Flash相對獨立存儲器件擦除次數(shù)會可能更少，利用片內(nèi)Flash存儲關鍵參數(shù)具有一定風險。因此如何延長片內(nèi)Flash使用壽命，成為一個研究熱點。

　　本文針對基于Flash技術的嵌入式微處理器設計了一種關鍵參數(shù)容錯存儲方案，利用大容量Flash以及容錯編碼來確保數(shù)據(jù)的可靠以及延長Flash擦除和寫操作壽命。本文首先介紹基于寫均衡原理的Flash擦除設計，基于冗余存儲和糾錯編碼的容錯設計，集成寫均衡的容錯存儲，最后在STM32F103硬件平臺進行驗證[1]。

1 片內(nèi)Flash擦寫延壽

　　參數(shù)保存的一般方式是為每個參數(shù)分配固定的存儲地址，可以相互獨立進行訪問。由于Flash在進行寫操作時需要先擦除數(shù)據(jù)所在的整個扇區(qū)，故對一個參數(shù)進行寫操作便會造成對扇區(qū)內(nèi)其他參數(shù)的擦除。由于擦除操作耗時較長，需要考慮對系統(tǒng)實時性的影響，而且為了避免丟失其他參數(shù)，對微處理器RAM容量也有一定的要求，至少能保存一個扇區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　通過在Flash上建立多個數(shù)據(jù)塊，避免對Flash單個扇區(qū)的反復擦除，同時通過數(shù)據(jù)讀寫方法的設計和數(shù)據(jù)塊的管理，避免對Flash扇區(qū)的不必要擦除，提高Flash的使用壽命，這就是寫均衡算法的基本原理。

　　寫均衡算法可以分為靜態(tài)寫均衡與動態(tài)寫均衡兩種類型。靜態(tài)寫均衡主要針對只讀數(shù)據(jù)和極少被更新的數(shù)據(jù)，算法會強行搬移這些數(shù)據(jù)到擦寫次數(shù)相對較多的的塊中去。該類算法優(yōu)點是可以有效增加可靠性和使用壽命，缺點是會造成寫入數(shù)據(jù)的速度下降，而且可能會造成額外的不必要的擦除操作。動態(tài)寫均衡則只限于未使用的空間和經(jīng)常被更新的數(shù)據(jù)(即動態(tài)數(shù)據(jù))。該類算法每次把要寫入的數(shù)據(jù)寫入到擦寫次數(shù)最少的塊中去，這樣就達到了使寫Flash各個塊的擦寫次數(shù)近似相等的目的。

　　動態(tài)寫均衡算法用備用區(qū)塊列表中的塊替換舊的塊。當系統(tǒng)準備改寫某個數(shù)據(jù)塊時，備用區(qū)塊列表中的第一個塊將被用于替換該塊，該塊將被擦除并放入備用區(qū)塊列表。動態(tài)寫均衡中區(qū)塊和頁的更新與回收只發(fā)生在空前或者被經(jīng)常更新的數(shù)據(jù)占用的塊上。如果系統(tǒng)持續(xù)對某個塊寫入數(shù)據(jù)，將頻繁使用備用區(qū)塊，不使用其它數(shù)據(jù)塊。如果所有備用區(qū)塊比其它塊更早磨損，將會出現(xiàn)最差的情況。

　　具體實現(xiàn)時，首先根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應用需求和MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)Flash的容量大小，合理設置數(shù)據(jù)塊大小和個數(shù)，將數(shù)據(jù)Flash的若干頁面劃分為多個數(shù)據(jù)塊[2]。在每個數(shù)據(jù)塊設置塊狀態(tài)字，反映數(shù)據(jù)塊的存儲歷史時間，不同數(shù)據(jù)塊存儲數(shù)據(jù)不同運行時間的拷貝，當前數(shù)據(jù)塊存儲最新的數(shù)據(jù)拷貝；同時需要檢查數(shù)據(jù)狀態(tài)是否為下次數(shù)據(jù)存儲擦除頁面。

　　假設一個需要存儲64 B參數(shù)的系統(tǒng)，每天需要更新參數(shù)1 000 次，而片內(nèi)Flash可以承受10萬次擦除/寫入循環(huán)，即每個單元可以擦除并編程 100 000 次。那么如果不使用寫均衡技術，100天就接近Flash的使用壽命。

　　而如圖１所示，采用簡單的寫均衡處理，假設產(chǎn)品有10年生命周期，設頁面大小為2 KB，由：

　　則n=12，即只需要12個2 KB頁面，循環(huán)存儲64 B參數(shù)，就可以滿足10年產(chǎn)品生命周期內(nèi)擦寫次數(shù)要求。

2 片內(nèi)Flash容錯存儲

　　關鍵參數(shù)容錯存儲的常規(guī)方法主要通過數(shù)據(jù)多次備份。例如常用的三模冗余（Triple Modular Redundancy，TMR）方法，即對需要保存的參數(shù)存儲3次，讀出時兩兩進行比較，以比較結果來決定記錄結果正確與否。只有當至少兩個記錄結果相同時，系統(tǒng)才能以此為正確參數(shù)，否則給出出錯信號。通過多次存儲能有效地避免單次記錄可能造成的錯誤，并能有效地彌補存儲器因部分單元物理損壞而造成的數(shù)據(jù)記錄結果錯誤，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　讀出操作需要校驗數(shù)據(jù)有效性，有多種方法可以驗證數(shù)據(jù)被正確寫入，例如在完成寫操作后，寫入完成標志到數(shù)據(jù)塊特定位置，這個標志可以用于在電源恢復后判斷上次寫入是否正常完成，如果沒有就需要采取適當?shù)牟僮鳌?/p>

　　2.1 數(shù)據(jù)多頁冗余存儲

　　由于片內(nèi)Flash只能按頁面擦除，對一個數(shù)據(jù)進行寫操作同樣會造成對頁面內(nèi)其他數(shù)據(jù)的擦除，對微處理器的RAM容量也有一定的要求，至少能保存讀出一個頁面數(shù)據(jù)。如果寫入數(shù)據(jù)失敗，會造成所寫入數(shù)據(jù)的丟失，如果在擦除頁面后發(fā)生掉電，便會造成頁面內(nèi)所有數(shù)據(jù)的丟失。為了解決這一問題，本文設計了多頁冗余存儲模式。該模式在進行存儲寫操作時，并非跟隨上次存儲地址在頁面內(nèi)連續(xù)存儲，而是在另一個頁面內(nèi)執(zhí)行寫操作。這樣不僅當前參數(shù)數(shù)據(jù)被完整保存，而之前的參數(shù)也被完整保存在不同的頁面，可以根據(jù)需要選擇相應頁面數(shù)，這就是n′。

　　如圖2所示，n′=16，第一次數(shù)據(jù)存儲在Page0，而下次存儲在Page1，依次存儲在不同頁面，而在需要執(zhí)行擦除操作時，從時間距離上也是擦除最早存儲地數(shù)據(jù)頁面，例如當存儲到Page15, 需要擦除地是最早存儲的頁面Page0。

　　2.2 數(shù)據(jù)冗余和編碼糾錯

　　參數(shù)的容錯存儲另一種重要方法是數(shù)據(jù)糾錯編碼和校驗編碼。讀取數(shù)據(jù)后根據(jù)校驗編碼是否正確以判定有無錯誤。當發(fā)現(xiàn)錯誤時，按編碼規(guī)則確定錯誤所在位置并予以糾正。實現(xiàn)時需要根據(jù)硬件平臺設計合理的編碼方式。

　　一種較為簡單有效的冗余糾錯校驗編碼如圖3所示。P0為4 B原始數(shù)據(jù)，~P0為4 B補碼，CRC32為前面12 B的循環(huán)校驗碼。

3 包含容錯特性的寫均衡設計

　　根據(jù)前面寫均衡延長Flash擦除壽命以及數(shù)據(jù)冗余存儲，編碼糾錯原理，結合兩者設計包含容錯特性的寫均衡存儲方案。如圖4所示。根據(jù)微處理器的性能、實時性需求，可用于數(shù)據(jù)存儲的Flash容量大小，選擇合理的M、N(M為一個頁面中可以存放的整個需要保存的參數(shù)表的個數(shù)，N為冗余個數(shù))。

　　每個參數(shù)數(shù)據(jù)塊包含所有需要保存的參數(shù)，以及重要參數(shù)的糾錯編碼，數(shù)據(jù)校驗碼，用于判斷最新有效參數(shù)的數(shù)據(jù)塊流水號，數(shù)據(jù)塊寫入標志。保存時，需要先完成糾錯編碼、校驗編碼，寫入指定的當前存儲地址。更新該地址指針，指向下一個存儲地址，該地址為：

　　nParAddr=BaseAddr+n×(M×PARSIZE)+m×PARSIZE

　　(2)

　　式中：m=0，1，2…M-1，n=0，1，2…N-1。

4 功能驗證

　　STM32系列單片機是一種典型的基于Flash技術的主流微處理器，其片內(nèi)集成Flash容量從16 KB～1 MB不等，128 KB以下頁面大小為1 KB，而128 KB以上頁面大小為2 KB[3]。片內(nèi)Flash都有IAP能力，不僅可以用來存儲程序，也可以用于存儲數(shù)據(jù)。

　　在一個基于STM32F103單片機的設備設計中，需要存儲一組參數(shù)以及操作記錄，參數(shù)總字節(jié)數(shù)56 B，采用容錯存儲，操作記錄僅作為流水記錄，在數(shù)據(jù)存儲區(qū)循環(huán)記錄。設計了一組函數(shù)實現(xiàn)容錯存儲：(1)存儲結構初始化函數(shù)；(2)編碼存儲函數(shù)；(3)校驗讀操作函數(shù)。

　　初始化函數(shù)流程如圖5所示。初始化函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)加電或復位后的狀態(tài)恢復，系統(tǒng)需要能夠再次正確找到最新的參數(shù)數(shù)據(jù)塊地址。函數(shù)在容錯存儲區(qū)，從后往前按塊大小搜索數(shù)據(jù)標志并判斷數(shù)據(jù)完整性，直到找到存儲數(shù)據(jù)塊，返回數(shù)據(jù)塊地址。

　　讀操作實現(xiàn)參數(shù)讀取，數(shù)據(jù)校驗糾錯功能。由于STM32F103集成CRC32，因此選擇CRC32作為檢錯函數(shù)，減少因增加校驗算法帶來的延遲。讀函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)塊地址讀取數(shù)據(jù)塊，分別計算各自的CRC32校驗碼，使用CRC32校驗算法再確認冗余存儲的反相數(shù)據(jù)的正確性，校驗正確則返回相應數(shù)據(jù)[4]。

　　編碼存儲函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能，為了減少寫操作次數(shù)，寫之前比較要保存的數(shù)據(jù)與當前已經(jīng)存儲地參數(shù)是否有變化，無變化則直接返回，否則寫入當前存儲地址，并更新該地址到下一數(shù)據(jù)塊地址。

　　為了測試系統(tǒng)參數(shù)儲存設計，增加了流水日志方式存儲每次參數(shù)存儲的塊地址。在測試過程中多次人為造成掉電復位，地址記錄統(tǒng)計顯示系統(tǒng)完好地恢復參數(shù)，參數(shù)寫操作均勻地分布在容錯數(shù)據(jù)區(qū)[5]。

5 結論

　　利用微處理器片內(nèi)Flash存儲系統(tǒng)參數(shù)，片內(nèi)Flash存在必須按塊擦除、寫壽命有限的問題。通過合理設計寫均衡算法，以空間換壽命，同時利用多塊存儲以及編碼糾錯實現(xiàn)容錯儲存，可以有效解決寫壽命和可靠性問題。實際應用也證明，這種存儲方式無論硬件設計還是系統(tǒng)成本都易于接受，可以保證參數(shù)在設計的生命周期許可范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)有較強的容錯能力，提高控制系統(tǒng)的運行可靠性。該方法對于需要保存參數(shù)的單片機系統(tǒng)，如智能儀表、運動控制等領域的系統(tǒng)具有較高的應用價值。

　　參考文獻

　　[1] 鄭文靜，李明強，舒繼武.Flash存儲技術[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47(4)：716-726.

　　[2] 劉源楊，馬建輝，莊汝科，等.基于嵌入式MCU數(shù)據(jù)Flash的數(shù)據(jù)存儲及管理方法研究與實現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2013(10)：57-60.

　　[3] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

　　[4] 康旺，張有光，金令旭，等.Flash存儲中的糾錯編碼[J].北京航空航天大學學報，2012，38(9)：1176-1180.

　　[5] 陳峰，尹寒.嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲管理[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003(2)：19-21，25.