提高MSP430G系列单片机的Flash 擦写寿命的方法

采用这种方式，用户不知道数据刷新的频率。

下面的图例以采用两个页模拟EEPROM 的应用方式为例进行描述。为了方便获取模拟EEPROM数据和更新数据内容，每个存储变量元素都在Flash 里定义了一个操作单元，在该操作单元中对每个存储变量元素都分配一个虚拟操作地址，即一个EEPROM 操作单元包含一个虚拟地址单元和一个数据单元。当需要修改数据单元内容时，新的数据内容和之前分配的虚拟地址一同写入一个新的模拟EEPROM存储器单元中，同时返回最新修改的数据内容。EEPROM存储单元格式描述如图二。

使用虚拟地址加数据的方案总结如下。

• 为每一个目标存储变量分配一个虚拟地址，该虚拟地址需一同存入Flash 中。当读取存储变量内容时，需根据该变量的虚拟地址搜索虚拟EEPROM并返回最后更新的内容。
• 在软件处理上，需要记录下一次写入的物理目的地址；在每一次执行写入操作后，根据EEPROM存储单元大小（操作粒度），将目的操作指针自动累加。
• 当一个页（Page）写满后，需要将所有变量的EEPROM数据拷贝到下一个页，再执行该页的擦除操作。
• 在嵌入式软件处理上需加入合适的校验机制，保证写入数据的正确性并监Flash 是否已经失效。

2.2 划分子页方案

在Flash 中划分出至少2 个页（Page）用作模拟EEPROM，根据应用需求将需写入EEPROM 进行保存的变量数据划分成一个定长的数组（子页），例如16 个字节或者32 字节，将页划分成若干子页后，需对Flash 中的所有子页按照地址顺序进行逐次编号。每个子页的第一个字节通常用来指示该子页的状态，子页状态可以为：空、已写入或者失效。

在芯片上电初始化时，首先查找出第一个尚未写入数据的子页，并进行标识，在进行写EEPROM操作时，应用程序需将待写入EEPROM 子页的所有数据按照事先约定好的顺序整理好，再一次性将所有变量数据写入空的子页中，最后将模拟EEPROM 的操作指针指向下一个空闲的子页，等待下一次写入。待将一个页的数据写满后，再进行一次擦除操作。需要处理好指向子页的指针的跳转。

每个页存在3 种可能状态：

擦除态：该页是空的。

已写满数据状态：该页已经写满数据。

有效页状态：该页包含着有效数据并且该页尚未写满，仍可向子页写入数据。

图三介绍了使用子页的方式实现Flash 模拟EEPROM的数据处理方法。

2.2.1 软件描述

在软件实现上，为了便于软件处理，建议定义一些关键宏定义和结构体，指定Flash 模拟EEPROM 的起始、结束地址、页的大小、子页的大小、每个页的子页数目等参数，同时将需要操作的参数封装起来，便于软件操作和管理，不建议定义许多离散的标志变量。

在软件操作上，Flash 模拟EEPROM模块需要提供几个API 接口给应用程序调用。

• 通过typedef 关键字定义设备类型，typedef unsigned char u8;
• ChkFstPowerOnInfo（）用于检测芯片是否为第一次上电并初始化EEPROM 参数到内存，原型如下。
• Void ChkFstPowerOnInfo(void);
• FlashWrite（）用于写Flash，传递的形参包括指向待写入数据的指针，待写入数据在子页中的起始字节编号，写入数据的长度，原型如下。
• void FlashWrite( u8 *array, u8 startNum, u8 length );
• FlashErase（）用于擦除Flash，传递的形参是子页的编号，在擦除函数中需要根据子页的编号判断是否需要执行页的擦除操作，原型如下。

void FlashErase(u8 seg_sn);

2.2.2 软件流程图

软件启动后，初始化模拟EEPROM流程图描述如下。

调用API，向模拟EEPROM 写入数据的软件流程如图五所示。在软件处理中，要特别注意目标指针的切换和保证写入数据的正确性，在代码空间允许的情况下，可以增加一些校验算法来保证。

采用划分子页的方案总结如下。

• 每次写入模拟EEPROM的数据长度为定长，即为子页的长度。
• 软件需要定义一个存储变量结构体，用于刷新和同步模拟EEPROM内容。在将数据写入模拟EEPROM之前，程序员需要按照约定的数据格式，在内存中将所有的目标存储变量进行整理。
• 在软件处理上，需要计算当前写入和下一次写入的物理地址；在每一次执行写入操作后，根据子页长度大小，将指向子页的目的操作指针自动累加。
• 待一个页（Page）写满后，需要将最后更新的模拟EEPROM数据拷贝到下一个页，再对写满页执行一次擦除操作。
• 在嵌入式软件处理上需加入合适的校验机制，保证写入数据的正确性并监测用于模拟EEPROM功能的Flash 子页是否已经失效。

2.3 两种方案的对比分析

两种方案的对比分析见表二。

表二 两种方案的对比分析

	虚拟地址加数据的方案	划分子页的方案
优点	对所有存储变量进行了虚拟地址预分配，完全模拟了EEPROM 的地址加变量数据的访问方式，易于理解并且操作简便。	对所有存储变量进行了封装，通过由模拟EEPROM 驱动模块提供的API 接口进行整体操作，操作简便。 存储空间利用率高。
缺点	由于为每个存储变量分配了虚拟地址，在有限Flash 资源前提下，存储空间利用率低，理论利用率低于50%。	每次数据保存，都需要对整个子页进行写操作，效率较低。 在每次将数据保存到模拟EEPROM 之前，需要应用程序将待写入的变量数据结构体进行整理，增加软件开销。
总结	两种方案都可以提高Flash 的擦写寿命，用户可以结合自己的应用设计进行方案选择； 在有限资源前提下，如需要更大容量的数据存储空间，建议选择划分子页的方式； 在实际应用中，可以根据不同的需求，将存储变量进行分类：将可能频繁变化和需要保存的非易失性数据存储到Flash 模拟EEPROM（code Flash）中，将不会经常改变的非易失性数据存储到信息Flash（information Flash）中，从而增加Flash 模拟EEPROM模块的利用率，更加灵活的实现数据保存。

3. 实际的嵌入式应用

根据软件需要，建议采用字节（8bit）做为操作的最小粒度，适用性会更广泛。

3.1 Flash 存储器擦写寿命的提升

对于MSP430G 系列的Flash 存储器，可以保证至少10000 次的编程和擦除寿命。如图六所示。

图六 MSP430G 系列单片机Flash 编程和擦除寿命

采用划分小页结合至少分配2 个大页的操作方式，则可以大大增加Flash 模拟EEPROM 的擦写寿命。例如，对于MSP430G 系列单片机，如果将每个小页的尺寸划分为16 字节，采用2 个大页（每页512 字节）作为模拟EEPROM 使用，则可以提供64 个操作子页（(512/16)x2=64），可以保证至少640000 次的擦写寿命。

3.2 掉电时的异常处理

如果正在进行Flash 数据存储时发生掉电，数据可能会保存不成功，存在异常。为了增强健壮性，在软件处理上，需要考虑设备异常掉电等可能会导致Flash 擦写失败的情况。

在软件处理中，当成功保存Flash 数据后，再写入该子页的状态标志。单片机上电后，用户程序将查找最后一次写入的子页，再将该子页的数据内容并恢复到内存中的数据结构中。

4. 系统可靠性设计

4.1 时钟源的选择

由于驱动Flash 的时钟源（ACLK、MCLK、SMCLK）和时钟频率可以设定，为了保证在将数据写入模拟EEPROM时的可靠性，建议在将Flash 的时钟频率降低后，再对其进行操作。例如将Flash 的时钟频率降低到1MHz 后，进行写入操作。需要注意，在降低了时钟频率后，若此时钟源也是定时器（Timer）的时钟源，则可能会影响到定时器的定时准确性，需要软件上做好处理。

4.2 代码在RAM中运行

由于向Flash 写入数据操作是通过执行Flash 中程序代码，对Flash 进行擦除和编程操作。由于对Flash 的编程需要mcu 内部执行一个升压操作，所以如果有足够的内存空间，建议将编程、擦除等关键代码拷贝到RAM中运行，可以使用关键字__ramfunc 指定，如下图七所示。

图七 使用关键字__ramfunc 将程序指定到Ram 中运行

5. 总结

本文从软件方面，以及安全性方面探讨了使用MSP430G 系列单片机在使用Flash 模拟EEPROM方面的应用，提供了两种不同的方式供选择。两种方式都可以大幅度提高模拟EEPROM的编写、擦除寿命，并且满足高可靠性的应用设计，用户可以结合具体的应用进行选择。

参考文档

1. MSP430x2xx family user’s guide （SLAU144）

2. MSP430G2x53 datasheet （SLAS735）