提高MSP430G系列单片机的Flash 擦写寿命的方法
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）
立即加入德州仪器技术社区
加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码
