0 引言

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要存儲(chǔ)一些關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)在復(fù)位或掉電后依賴(lài)于保存的這些參數(shù)才能正常運(yùn)行。這些數(shù)據(jù)通常保存在EEPROM存儲(chǔ)器中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，基于Flash技術(shù)的單片機(jī)越來(lái)越多，片內(nèi)集成的Flash容量也越來(lái)越大，處理器片內(nèi)存儲(chǔ)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(chǔ)器件的讀寫(xiě)次數(shù)，EEPROM可以承受百萬(wàn)次數(shù)量級(jí)的擦除/寫(xiě)入操作，NOR Flash存儲(chǔ)器擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次。而微處理器片內(nèi)集成的Flash相對(duì)獨(dú)立存儲(chǔ)器件擦除次數(shù)會(huì)可能更少，利用片內(nèi)Flash存儲(chǔ)關(guān)鍵參數(shù)具有一定風(fēng)險(xiǎn)。因此如何延長(zhǎng)片內(nèi)Flash使用壽命，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　本文針對(duì)基于Flash技術(shù)的嵌入式微處理器設(shè)計(jì)了一種關(guān)鍵參數(shù)容錯(cuò)存儲(chǔ)方案，利用大容量Flash以及容錯(cuò)編碼來(lái)確保數(shù)據(jù)的可靠以及延長(zhǎng)Flash擦除和寫(xiě)操作壽命。本文首先介紹基于寫(xiě)均衡原理的Flash擦除設(shè)計(jì)，基于冗余存儲(chǔ)和糾錯(cuò)編碼的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，集成寫(xiě)均衡的容錯(cuò)存儲(chǔ)，最后在STM32F103硬件平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證[1]。

1 片內(nèi)Flash擦寫(xiě)延壽

　　參數(shù)保存的一般方式是為每個(gè)參數(shù)分配固定的存儲(chǔ)地址，可以相互獨(dú)立進(jìn)行訪問(wèn)。由于Flash在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)需要先擦除數(shù)據(jù)所在的整個(gè)扇區(qū)，故對(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行寫(xiě)操作便會(huì)造成對(duì)扇區(qū)內(nèi)其他參數(shù)的擦除。由于擦除操作耗時(shí)較長(zhǎng)，需要考慮對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響，而且為了避免丟失其他參數(shù)，對(duì)微處理器RAM容量也有一定的要求，至少能保存一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　通過(guò)在Flash上建立多個(gè)數(shù)據(jù)塊，避免對(duì)Flash單個(gè)扇區(qū)的反復(fù)擦除，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方法的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)塊的管理，避免對(duì)Flash扇區(qū)的不必要擦除，提高Flash的使用壽命，這就是寫(xiě)均衡算法的基本原理。

　　寫(xiě)均衡算法可以分為靜態(tài)寫(xiě)均衡與動(dòng)態(tài)寫(xiě)均衡兩種類(lèi)型。靜態(tài)寫(xiě)均衡主要針對(duì)只讀數(shù)據(jù)和極少被更新的數(shù)據(jù)，算法會(huì)強(qiáng)行搬移這些數(shù)據(jù)到擦寫(xiě)次數(shù)相對(duì)較多的的塊中去。該類(lèi)算法優(yōu)點(diǎn)是可以有效增加可靠性和使用壽命，缺點(diǎn)是會(huì)造成寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度下降，而且可能會(huì)造成額外的不必要的擦除操作。動(dòng)態(tài)寫(xiě)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù))。該類(lèi)算法每次把要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到擦寫(xiě)次數(shù)最少的塊中去，這樣就達(dá)到了使寫(xiě)Flash各個(gè)塊的擦寫(xiě)次數(shù)近似相等的目的。

　　動(dòng)態(tài)寫(xiě)均衡算法用備用區(qū)塊列表中的塊替換舊的塊。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備改寫(xiě)某個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，備用區(qū)塊列表中的第一個(gè)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(dòng)態(tài)寫(xiě)均衡中區(qū)塊和頁(yè)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(duì)某個(gè)塊寫(xiě)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(huì)出現(xiàn)最差的情況。

　　具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用需求和MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)Flash的容量大小，合理設(shè)置數(shù)據(jù)塊大小和個(gè)數(shù)，將數(shù)據(jù)Flash的若干頁(yè)面劃分為多個(gè)數(shù)據(jù)塊[2]。在每個(gè)數(shù)據(jù)塊設(shè)置塊狀態(tài)字，反映數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)歷史時(shí)間，不同數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不同運(yùn)行時(shí)間的拷貝，當(dāng)前數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)最新的數(shù)據(jù)拷貝；同時(shí)需要檢查數(shù)據(jù)狀態(tài)是否為下次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦除頁(yè)面。

　　假設(shè)一個(gè)需要存儲(chǔ)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(wàn)次擦除/寫(xiě)入循環(huán)，即每個(gè)單元可以擦除并編程 100 000 次。那么如果不使用寫(xiě)均衡技術(shù)，100天就接近Flash的使用壽命。

　　而如圖１所示，采用簡(jiǎn)單的寫(xiě)均衡處理，假設(shè)產(chǎn)品有10年生命周期，設(shè)頁(yè)面大小為2 KB，由：

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

2 片內(nèi)Flash容錯(cuò)存儲(chǔ)

　　關(guān)鍵參數(shù)容錯(cuò)存儲(chǔ)的常規(guī)方法主要通過(guò)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(duì)需要保存的參數(shù)存儲(chǔ)3次，讀出時(shí)兩兩進(jìn)行比較，以比較結(jié)果來(lái)決定記錄結(jié)果正確與否。只有當(dāng)至少兩個(gè)記錄結(jié)果相同時(shí)，系統(tǒng)才能以此為正確參數(shù)，否則給出出錯(cuò)信號(hào)。通過(guò)多次存儲(chǔ)能有效地避免單次記錄可能造成的錯(cuò)誤，并能有效地彌補(bǔ)存儲(chǔ)器因部分單元物理?yè)p壞而造成的數(shù)據(jù)記錄結(jié)果錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　讀出操作需要校驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性，有多種方法可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)被正確寫(xiě)入，例如在完成寫(xiě)操作后，寫(xiě)入完成標(biāo)志到數(shù)據(jù)塊特定位置，這個(gè)標(biāo)志可以用于在電源恢復(fù)后判斷上次寫(xiě)入是否正常完成，如果沒(méi)有就需要采取適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

　　2.1 數(shù)據(jù)多頁(yè)冗余存儲(chǔ)

　　由于片內(nèi)Flash只能按頁(yè)面擦除，對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)操作同樣會(huì)造成對(duì)頁(yè)面內(nèi)其他數(shù)據(jù)的擦除，對(duì)微處理器的RAM容量也有一定的要求，至少能保存讀出一個(gè)頁(yè)面數(shù)據(jù)。如果寫(xiě)入數(shù)據(jù)失敗，會(huì)造成所寫(xiě)入數(shù)據(jù)的丟失，如果在擦除頁(yè)面后發(fā)生掉電，便會(huì)造成頁(yè)面內(nèi)所有數(shù)據(jù)的丟失。為了解決這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了多頁(yè)冗余存儲(chǔ)模式。該模式在進(jìn)行存儲(chǔ)寫(xiě)操作時(shí)，并非跟隨上次存儲(chǔ)地址在頁(yè)面內(nèi)連續(xù)存儲(chǔ)，而是在另一個(gè)頁(yè)面內(nèi)執(zhí)行寫(xiě)操作。這樣不僅當(dāng)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(yè)面，可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)頁(yè)面數(shù)，這就是n′。

　　如圖2所示，n′=16，第一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Page0，而下次存儲(chǔ)在Page1，依次存儲(chǔ)在不同頁(yè)面，而在需要執(zhí)行擦除操作時(shí)，從時(shí)間距離上也是擦除最早存儲(chǔ)地?cái)?shù)據(jù)頁(yè)面，例如當(dāng)存儲(chǔ)到Page15, 需要擦除地是最早存儲(chǔ)的頁(yè)面Page0。

　　2.2 數(shù)據(jù)冗余和編碼糾錯(cuò)

　　參數(shù)的容錯(cuò)存儲(chǔ)另一種重要方法是數(shù)據(jù)糾錯(cuò)編碼和校驗(yàn)編碼。讀取數(shù)據(jù)后根據(jù)校驗(yàn)編碼是否正確以判定有無(wú)錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，按編碼規(guī)則確定錯(cuò)誤所在位置并予以糾正。實(shí)現(xiàn)時(shí)需要根據(jù)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)合理的編碼方式。

　　一種較為簡(jiǎn)單有效的冗余糾錯(cuò)校驗(yàn)編碼如圖3所示。P0為4 B原始數(shù)據(jù)，~P0為4 B補(bǔ)碼，CRC32為前面12 B的循環(huán)校驗(yàn)碼。

3 包含容錯(cuò)特性的寫(xiě)均衡設(shè)計(jì)

　　根據(jù)前面寫(xiě)均衡延長(zhǎng)Flash擦除壽命以及數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)，編碼糾錯(cuò)原理，結(jié)合兩者設(shè)計(jì)包含容錯(cuò)特性的寫(xiě)均衡存儲(chǔ)方案。如圖4所示。根據(jù)微處理器的性能、實(shí)時(shí)性需求，可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的Flash容量大小，選擇合理的M、N(M為一個(gè)頁(yè)面中可以存放的整個(gè)需要保存的參數(shù)表的個(gè)數(shù)，N為冗余個(gè)數(shù))。

　　每個(gè)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(cuò)編碼，數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，用于判斷最新有效參數(shù)的數(shù)據(jù)塊流水號(hào)，數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入標(biāo)志。保存時(shí)，需要先完成糾錯(cuò)編碼、校驗(yàn)編碼，寫(xiě)入指定的當(dāng)前存儲(chǔ)地址。更新該地址指針，指向下一個(gè)存儲(chǔ)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(yàn)證

　　STM32系列單片機(jī)是一種典型的基于Flash技術(shù)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(yè)面大小為1 KB，而128 KB以上頁(yè)面大小為2 KB[3]。片內(nèi)Flash都有IAP能力，不僅可以用來(lái)存儲(chǔ)程序，也可以用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　在一個(gè)基于STM32F103單片機(jī)的設(shè)備設(shè)計(jì)中，需要存儲(chǔ)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(cuò)存儲(chǔ)，操作記錄僅作為流水記錄，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)循環(huán)記錄。設(shè)計(jì)了一組函數(shù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)存儲(chǔ)：(1)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)初始化函數(shù)；(2)編碼存儲(chǔ)函數(shù)；(3)校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加電或復(fù)位后的狀態(tài)恢復(fù)，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(cuò)存儲(chǔ)區(qū)，從后往前按塊大小搜索數(shù)據(jù)標(biāo)志并判斷數(shù)據(jù)完整性，直到找到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊，返回?cái)?shù)據(jù)塊地址。

　　讀操作實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取，數(shù)據(jù)校驗(yàn)糾錯(cuò)功能。由于STM32F103集成CRC32，因此選擇CRC32作為檢錯(cuò)函數(shù)，減少因增加校驗(yàn)算法帶來(lái)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(jì)算各自的CRC32校驗(yàn)碼，使用CRC32校驗(yàn)算法再確認(rèn)冗余存儲(chǔ)的反相數(shù)據(jù)的正確性，校驗(yàn)正確則返回相應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。

　　編碼存儲(chǔ)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，為了減少寫(xiě)操作次數(shù)，寫(xiě)之前比較要保存的數(shù)據(jù)與當(dāng)前已經(jīng)存儲(chǔ)地參數(shù)是否有變化，無(wú)變化則直接返回，否則寫(xiě)入當(dāng)前存儲(chǔ)地址，并更新該地址到下一數(shù)據(jù)塊地址。

　　為了測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)儲(chǔ)存設(shè)計(jì)，增加了流水日志方式存儲(chǔ)每次參數(shù)存儲(chǔ)的塊地址。在測(cè)試過(guò)程中多次人為造成掉電復(fù)位，地址記錄統(tǒng)計(jì)顯示系統(tǒng)完好地恢復(fù)參數(shù)，參數(shù)寫(xiě)操作均勻地分布在容錯(cuò)數(shù)據(jù)區(qū)[5]。

5 結(jié)論

　　利用微處理器片內(nèi)Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)，片內(nèi)Flash存在必須按塊擦除、寫(xiě)壽命有限的問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)寫(xiě)均衡算法，以空間換壽命，同時(shí)利用多塊存儲(chǔ)以及編碼糾錯(cuò)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)儲(chǔ)存，可以有效解決寫(xiě)壽命和可靠性問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用也證明，這種存儲(chǔ)方式無(wú)論硬件設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)成本都易于接受，可以保證參數(shù)在設(shè)計(jì)的生命周期許可范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。該方法對(duì)于需要保存參數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)，如智能儀表、運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域的系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 鄭文靜，李明強(qiáng)，舒繼武.Flash存儲(chǔ)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)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(chǔ)及管理方法研究與實(shí)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(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

　　[4] 康旺，張有光，金令旭，等.Flash存儲(chǔ)中的糾錯(cuò)編碼[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38(9)：1176-1180.

　　[5] 陳峰，尹寒.嵌入式系統(tǒng)中的Flash存儲(chǔ)管理[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(2)：19-21，25.