利用基于閃存的MCU實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲

采用微控制器的大多數(shù)設(shè)備還需要某種機制來存儲在斷電時仍要被記住的那些設(shè)置數(shù)據(jù)。例如，在更換電池后記不住預(yù)設(shè)電臺的收音機肯定不會在市場上取得很大的成功。用戶希望喜愛的電臺、預(yù)設(shè)溫度、參數(shù)選擇和其他永久性信息能長久保存下來供每次開機時直接取用。

為了滿足這種用戶需求，設(shè)計師一般使用串行EEPROM。這些器件又小又便宜，具有很長的歷史，設(shè)計工程師用起來得心應(yīng)手。但在今天對成本極其敏感的市場下，即使這樣一個廉價的器件也可能突破成本預(yù)算。因此許多設(shè)計師試圖尋求并利用已經(jīng)包含在微控制器芯片中的資源：程序閃存中剩余的空間。

過去，許多微控制器使用ROM或可紫外線擦除的EPROM來存儲程序指令。但現(xiàn)在越來越多的微控制器轉(zhuǎn)用閃存技術(shù)存儲代碼。選擇閃存的主要理由是，如果在程序代碼中發(fā)現(xiàn)錯誤，閃存數(shù)據(jù)很容易被擦除和更新。

大多數(shù)微控制器具有讀取程序空間中存儲數(shù)據(jù)的機制?；隈T·諾伊曼架構(gòu)的處理器，如TI MSP430，可以使用任何尋址模式讀取程序閃存。哈佛架構(gòu)處理器一般利用特殊的機制將數(shù)據(jù)從程序空間傳送到數(shù)據(jù)空間。具有閃存管理功能的其他MCU包括：

1. 包含MOVEC(移動常數(shù))指令的非常流行的8051處理器系列；

2. 包含TBLRD和TBLWR(表讀和表寫)指令的Microchip PIC18系列；

3. 具有偽馮·諾伊曼架構(gòu)的美信MAXQ微控制器系列，它們允許通過簡單的MOVE指令訪問閃存程序存儲空間(見圖1)。

圖1：在像美信MAXQ2000這樣的偽馮·諾伊曼MCU中采用的數(shù)據(jù)交換允許任何存儲器塊被用作代碼或數(shù)據(jù)存儲器。

但即使能夠從隨機閃存位置讀取數(shù)據(jù)，完整的非易失性存儲器子系統(tǒng)也必須能夠隨機修改閃存中的數(shù)據(jù)。這意味著需要解決兩個問題：首先，一旦某個閃存位置被寫入，那個位置的數(shù)據(jù)只能通過擦除整個閃存塊(通常128字節(jié)或以上)進行修改；其次，閃存的讀寫次數(shù)非常有限。

本文將介紹如何構(gòu)建一個能夠解決這些問題、并使用閃存塊模擬隨機寫入的機制。雖然本文的用例是MAX2000，但原理適用于支持讀寫和擦除閃存的用戶代碼的任何處理器。本文討論的方案已經(jīng)被用于采用MAXQ3180三相模擬前端和MAXQ2000的三相電表參考設(shè)計。

閃存管理的基本知識

閃存是一種電可擦除的存儲器，通常主要用于讀操作，也就是說，雖然是可寫的，但它不希望很頻繁地更新數(shù)據(jù)，因此對這種存儲器的操作大部分是讀操作。大多數(shù)閃存器件是以字(word)為單位寫入數(shù)據(jù)的，但一次只能擦除整個塊。這使得它們不適用于頻繁變化的存儲應(yīng)用，只適合存儲那些永遠不變的常數(shù)表。

一共有兩種閃存：NAND閃存和NOR閃存。NAND閃存經(jīng)常用于存儲卡和閃盤。一般來說，從NAND器件讀取數(shù)據(jù)需要幾個周期，并且大部分是用串行方式完成的。

因此NAND閃存不適于存儲程序代碼，因為存取時間太長。而NOR閃存更像是傳統(tǒng)的字節(jié)或字寬的存儲器?？梢韵褡xROM器件那樣讀NOR閃存中的數(shù)據(jù)：使片選和地址線有效，然后等待一段訪問時間后從總線上讀取數(shù)據(jù)。

閃存塊通常被擦除到“1”狀態(tài)，因此經(jīng)過擦除后，塊中的每個位置都是0xFFFF?！熬幊獭币粋€閃存位置是把某些位從“1”狀態(tài)改變?yōu)椤?”狀態(tài)。為了使編程過的位返回到“1”狀態(tài)，整個塊必須被擦除。

任何電可擦除的存儲器件都面臨壽命的問題。根據(jù)所用技術(shù)的不同，一個閃存單元在永久失效以前可以承受的擦除-編程次數(shù)少則1000次，多則100萬次。使用閃存存儲數(shù)據(jù)的任何方案都必須確保寫入次數(shù)在整個單元陣列上獲得均勻分布，沒有一個位置會出現(xiàn)太多的擦除和編程次數(shù)。

大多數(shù)閃存器件都允許將前次編程中那些未被編程的位從“1”改為“0”狀態(tài)。例如，大多數(shù)器件允許用0xFFFE編程過的那個位置再用0x7FFE進行編程，因為這種操作不會將任何位從“0”改變到“1”。然而如圖1所示的處理器架構(gòu)中使用的閃存不允許這樣做。這種寫入操作的結(jié)果是失敗，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)仍然是0xFFFE。

理由很簡單：因為要被編程的存儲塊主要用作代碼空間，通常禁止對前面寫過的位置作任何寫操作。因為指令0xFFFF代表的是無效的源子譯碼(source sub-decode)，不可能出現(xiàn)在有效的代碼塊中。這樣，阻止向以前編過程的位置寫入數(shù)據(jù)有助于保持代碼塊的完整性。

提供非易失性存儲器服務(wù)

以下是提供非易失性存儲器服務(wù)的兩種方案。第一種方案側(cè)重于簡單性，第二種方案比較靈活，但代價是較復(fù)雜。

方案1

問題：校準(zhǔn)信息、MAC地址或制造數(shù)據(jù)等配置數(shù)據(jù)必須要存儲在產(chǎn)品中。雖然這些通常是固定不變的信息，但在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)配置數(shù)據(jù)需要多次更新的可能性還是存在的。

解決方案：下面是實際中最容易想到的例子。有兩個塊，一個塊在字地址0x7E00處，另一個在0x7F00處，都用于數(shù)據(jù)存儲。在第一次收到保存配置數(shù)據(jù)的命令時，處理器會檢查這兩個塊，在發(fā)現(xiàn)它們都是空塊后，配置數(shù)據(jù)被就存入第一個塊。

保存配置數(shù)據(jù)的第二條命令同樣會使處理器再一次檢查這兩個塊。當(dāng)發(fā)現(xiàn)塊0已經(jīng)有數(shù)據(jù)后，它就將配置數(shù)據(jù)拷貝到塊1，然后擦除塊0中的數(shù)據(jù)。

當(dāng)收到恢復(fù)配置的請求時(比如在上電時)，處理器會同時讀取兩個塊的數(shù)據(jù)并確定哪個塊在用。只要是沒被擦除的塊就是在用塊。

這種方案的主要優(yōu)點是簡單：如果設(shè)備在上電(或其他配置恢復(fù)事件)時需要塊中的配置數(shù)據(jù)，這是很好的一種方案。讀數(shù)程序會接受一個字長的指針，返回該地址的數(shù)值，寫入程序則接受一個字長的指針，然后嘗試向該地址進行寫入操作。擦除程序只是同時擦除兩個塊。

這種方案的主要缺點就是主要優(yōu)點的反面：程序的思路太過簡單。沒有操作去判斷寫入數(shù)據(jù)是否成功—在發(fā)出寫入命令后，如果寫入失敗，處理器不會做任何事去解決問題。這也是為什么這個方案只是用來寫入已知是空的閃存塊的原因。

方案2

問題：要求用非易失性存儲技術(shù)來跟蹤用電量和其他經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)。更新經(jīng)常是一周數(shù)次或一天數(shù)次發(fā)生。

解決方案：這是即使傳統(tǒng)EEPROM也需要尋求幫助的場合。問題是：更新的頻率和所有非易失性存儲器有限的寫入壽命這樣的事實不允許反復(fù)寫入和擦除單個EEPROM單元?？紤]一個小時更新一次的情況，具有1萬次寫入-擦除次數(shù)限制的EEPROM只需一年時間就會失效，這個時間比電表所需的十年設(shè)計目標(biāo)少得太多了。

解決這個問題的方法之一是實現(xiàn)某種形式的“損耗均衡”。這意味著不會有單個位置被反復(fù)寫數(shù)據(jù)。相反，寫入操作將呈類似合理指數(shù)分布的方式分散到整個存儲器陣列。

損耗均衡是一種很好理解的技術(shù)，在閃存器件中使用就是出于這個目的。但它的算法非常復(fù)雜和難以理解，不過對我們來說，一個更簡單的原理介紹就足夠了。

存儲陣列中的數(shù)據(jù)項是由數(shù)據(jù)單元(data element)號引用的，而不是地址。

數(shù)據(jù)單元號是一個唯一識別數(shù)據(jù)單元的任意8位數(shù)，因此在這種方案中，最多有255個數(shù)據(jù)單元(數(shù)據(jù)單元0是保留單元)。

每個數(shù)據(jù)單元有一個雙字節(jié)的頭部(見圖2)，包含了數(shù)據(jù)單元號和數(shù)據(jù)單元長度以及留給差錯管理使用的足夠空間，其中長度是一個兩位代碼，可表示1個、2個、3個或4個16位的字。

圖2：數(shù)據(jù)單元的頭部結(jié)構(gòu)

寫一個數(shù)據(jù)單元需要知道寫入數(shù)據(jù)的地址、寫入數(shù)據(jù)的單元號和長度。寫函數(shù)先尋找陣列結(jié)尾，然后緊跟最后一個記錄之后寫入新的數(shù)據(jù)單元。

如果閃存頁中沒有足夠的空間容納指定長度的記錄，一個表示結(jié)尾的頁標(biāo)記將被寫入，并會打開一個新的頁。有關(guān)典型數(shù)據(jù)頁的結(jié)構(gòu)請見圖3。

圖3：典型的數(shù)據(jù)頁

在展開的數(shù)據(jù)頁中，先寫入經(jīng)常要更新的數(shù)據(jù)單元1，再寫入從不更新的數(shù)據(jù)單元4，然后寫入需要多次更新的數(shù)據(jù)單元3。最后，寫入從不更新的數(shù)據(jù)單元2。

出現(xiàn)頁的結(jié)尾標(biāo)記表明過進行過一次數(shù)據(jù)寫入嘗試，但由于數(shù)據(jù)單元太長而無法將數(shù)據(jù)單元裝進該頁，因此打開了一個新頁來容納該數(shù)據(jù)單元。整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)尾設(shè)定為空白單元，這個位置有望成為單元頭部。

值得注意的是，我還沒有說明重復(fù)記錄的問題。這是因為在這種方案中重復(fù)記錄不是問題。事實上，讀寫程序是完全忽略重復(fù)記錄的。

在寫數(shù)據(jù)時，新的記錄會寫在陣列的最后，而不管是否有相同號碼的記錄存在。在讀數(shù)據(jù)時，只有匹配請求記錄號的最后，也就是最近的記錄被讀出來。

從陣列中讀出一個數(shù)據(jù)單元要比寫入稍微復(fù)雜一些。讀函數(shù)首先接受應(yīng)被寫入數(shù)據(jù)單元內(nèi)容的單元號碼和地址。當(dāng)被調(diào)用時，讀函數(shù)從頭開始搜索陣列。

當(dāng)它找到與請求數(shù)據(jù)單元相匹配的記錄時，它將對應(yīng)的地址先存起來，然后繼續(xù)搜索。如果它找到另外一條匹配的記錄，它就用新的地址代替剛才存儲的地址。

當(dāng)?shù)竭_陣列結(jié)尾時，最終存儲的地址將指向最近寫入拷貝的請求記錄。讀函數(shù)隨即在被調(diào)用時將這個數(shù)據(jù)拷貝到緩存。

復(fù)用存儲器空間

現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了一種以讀取為主的可行機制用于從存儲陣列中存取記錄。剩下只有一個問題：我們還沒有建立起復(fù)用被廢棄的記錄拷貝占用的空間。(我們也還沒有建立刪除記錄的機制，但由于是用在嵌入式應(yīng)用中，這可能不是一個很重要的特性)

如果不恢復(fù)空間，分配的空間將很快用完。恢復(fù)空間意味著擦除整個頁，因為閃存只能一次擦除一整頁。但閃存頁被隨意擦除時將會出現(xiàn)刪除有用信息的風(fēng)險。唯一的方法是在擦除舊頁時將有效信息拷貝到新的頁。

從廢棄記錄恢復(fù)空間要分三步走：首先，打開新的閃存頁，將每個數(shù)據(jù)單元的最新版拷貝到新的頁；然后，刪除舊頁；最后，在新頁上放置頁標(biāo)記以便讀程序能找到它們。

第一步有些技巧，因此我們稍詳細地進行介紹。執(zhí)行這一步的簡單方法是將它分成兩小步：第一步，使用RAM陣列存儲記錄號和陣列中最新記錄的地址；第二步，穿過RAM陣列將最新的記錄拷貝到新的閃存頁。這個過程很快，相對也比較順利。

這種方案的問題是所用處理器(見圖1)的RAM為1K字。這種方案將限制可存儲進RAM中的單一數(shù)據(jù)數(shù)量，因為這個RAM還要節(jié)省下來用作緩存。這是明顯不能接受的。

這種解決方案非常耗時，但不管存儲陣列多大(在合理范圍內(nèi))都能正常工作。該方案不會在RAM中創(chuàng)建一份指針列表，而是針對每個單一條目(entry)在源陣列中作多次穿越。因此壓縮算法變?yōu)椋?

1. 從源陣列中讀一個單元；

2. 在目標(biāo)陣列中尋找該單元。如果找到了，表示這個單元已經(jīng)被寫入。增加源指針值，回到第(1)步；

3. 掃描源陣列尋找單元的最新拷貝；

4. 將數(shù)據(jù)單元的最新拷貝寫入目標(biāo)陣列；

5. 增加源指針，并回到第(1)步。

最終，在目標(biāo)陣列中每個數(shù)據(jù)單元都有一個唯一的條目。圖4描述了一個已填滿的頁。源頁現(xiàn)在可以被安全地刪除，頁的頭部被寫入到目標(biāo)陣列。

圖4：在空間恢復(fù)之后的圖2所示數(shù)據(jù)頁內(nèi)容

這個過程的構(gòu)建使得存儲的數(shù)據(jù)非常安全。在使用閃存器件時必須面對的危險是寫入或擦除操作期間發(fā)生電源故障。

如果發(fā)生電源故障，則有可能一個或多個頁被破壞(在寫入時)，或未被完全刪除(在刪除操作時)。但上述壓縮操作本身是安全的。因為：

1. 如果在寫入操作期間發(fā)生電源故障，源頁是完全不受影響的。在電源恢復(fù)后，新寫的頁很容易被識別(它們沒有頁頭)，將其擦除后重新開始寫入操作。

2. 如果在舊頁被擦除期間發(fā)生電源故障，它們可能包含無效的頭部。這些頁可以被刪除，然后將頭部增加到新的頁中。

3. 如果在頁頭部被寫入新頁時發(fā)生電源故障，數(shù)據(jù)是不受影響的。頁頭部的更新操作可以重新開始。

總之，應(yīng)該沒有什么情況能讓意外事件造成無可挽救地破壞陣列數(shù)據(jù)。

性能增強

目前的存儲子系統(tǒng)沒有差錯檢測機制。在數(shù)據(jù)單元識別符中目前有6個比特是保留未用的。

設(shè)計師可以使用CRC6算法(x6+x+1)計算整個數(shù)據(jù)單元的CRC以確保不會產(chǎn)生任何讀或?qū)戝e誤。雖然這不是一個特別可靠的算法(它會從64個多位差錯中漏掉一個)，但它能檢測實際中可能發(fā)生的大多數(shù)差錯。

上述系統(tǒng)的另外一個限制是讀取訪問時間必需很長。為了尋找最新的記錄，每一次讀取都必須讀遍陣列中的每個記錄。有三種方法可以用來改善訪問時間：

1. 在數(shù)據(jù)單元中留一個空的字用于前向指針。當(dāng)數(shù)值更新時，在前向指針中填入指向新條目的內(nèi)容。這樣這個表可以當(dāng)作一個鏈接列表。

2. 向后穿越表格。現(xiàn)在你可以簡單停留在第一次出現(xiàn)的請求單元上。

3. 如果只有少量的單一單元，可以在上電時就創(chuàng)建一個包含單元ID和指針的RAM陣列。隨后的訪問將非常迅速—只要讀取RAM陣列就可以發(fā)現(xiàn)到哪里去獲得數(shù)據(jù)單元。