基于STM8S微處理器內(nèi)部EEPROM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）指的是電子擦除式只讀存儲(chǔ)器，它是一種非易失的存儲(chǔ)器，供電消失后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)依然保留，要擦除或改寫(xiě)其中的內(nèi)容只要以電子信號(hào)的方式直接操作即可。EEPROM廣泛應(yīng)用于單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，主要形式是串行I2C總線控制獨(dú)立EEPROM元器件。隨著單片機(jī)的集成度越來(lái)越高，許多芯片廠家在單片機(jī)的內(nèi)部集成有一定數(shù)量的EEPROM存儲(chǔ)空間，如Microchip、ST等等。本文首先介紹了比較典型的串行EEPROM和集成EEPROM的單片機(jī)并比較了各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，并在分析單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上引用實(shí)例說(shuō)明如何采用STM8S內(nèi)置EEPROM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　1.器件簡(jiǎn)介

　　1.1.STM8S系列微處理器

　　ST公司的STM8S系列通用8位微處理器采用STM8內(nèi)核，具備真嵌入式EEPROM和可校準(zhǔn)RC晶振，大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)成本。以STM8S105xx為例，該微處理器是具備16MHz時(shí)鐘主頻的8位單片機(jī)。最大可提供32K字節(jié)ROM和2K字節(jié)RAM。其片內(nèi)的真EEPROM存儲(chǔ)器最大1K字節(jié)，至少可以擦寫(xiě)循環(huán)30萬(wàn)次。同時(shí)具備四路定時(shí)器和豐富的外設(shè)接口，如UART、SPI、I2C等等。

　　1.2.串行EEPROM

　　串行EEPROM中，較為典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列產(chǎn)品。AT24CXX支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，最高時(shí)鐘頻率400KHz，器件連接到總線上串行器件不僅占用很少的資源和I/O線，而且體積大大縮小，同時(shí)具有工作電源寬、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、數(shù)據(jù)不易丟失和支持在線編程等特點(diǎn)。

　　1.3.不同存儲(chǔ)方式的比較

　　表1中羅列了三種不同存儲(chǔ)方式的不同，由于片內(nèi)EEPROM和串行EEPROM的存儲(chǔ)介質(zhì)均為EEPROM，所以其擦寫(xiě)的操作時(shí)間是差不多的，不同之處是串行EEPROM在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)會(huì)受到I2C總線速度的影響。相比而言讀時(shí)間則是片內(nèi)器件占有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠瑑?nèi)EEPROM是直接訪問(wèn)片內(nèi)地址的方式讀出數(shù)據(jù)，效率上比總線方式訪問(wèn)會(huì)快很多。

　　表 1兩種EEPROM的比較

　　2.單片機(jī)存儲(chǔ)的特點(diǎn)

　　單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有所不同，主要特點(diǎn)有數(shù)據(jù)量一般不大，很少每次刷新整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，如果是作為記錄作用的單片機(jī)系統(tǒng)，一般數(shù)據(jù)呈線性方式增長(zhǎng)，少有刪除或插入的操作。另一方面，單片機(jī)存儲(chǔ)對(duì)數(shù)據(jù)的安全性要求比較高，要求至少有兩個(gè)以上的熱備份數(shù)據(jù)以防止意外造成的數(shù)據(jù)丟失。因此，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)就需要考慮如下幾個(gè)方面的因素：存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量的大?。幻看胃聰?shù)據(jù)量的大??；數(shù)據(jù)量更新的頻度；是否為增量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；對(duì)于數(shù)據(jù)校驗(yàn)和冗余的考慮。

　　3.應(yīng)用實(shí)例

　　本節(jié)以應(yīng)用實(shí)例分析不同場(chǎng)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用。以下應(yīng)用方案的主控單片機(jī)均采用STM8S105K4，片內(nèi)集成1K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)器。

　　3.1.智能電表應(yīng)用

　　在智能電表應(yīng)用中的一個(gè)重要的問(wèn)題就是數(shù)據(jù)的保存和數(shù)據(jù)的安全，不僅要求數(shù)據(jù)要及時(shí)的保存而且要求所保存的數(shù)據(jù)不能有錯(cuò)誤，所以重點(diǎn)需要考慮的是數(shù)據(jù)的冗余和校驗(yàn)。出于成本和數(shù)據(jù)安全的考慮，可以采用兩種方案實(shí)現(xiàn)電量計(jì)量，一是當(dāng)電量有變化時(shí)周期性將當(dāng)前的電量存入EEPROM中；二是只在意外斷電時(shí)將當(dāng)前電量存入EEPROM中。第一種方案需要考慮的是EEPROM的擦寫(xiě)次數(shù)是否能滿足使用要求。第二種方案需要考慮的是備用電源的供電時(shí)間能否滿足存儲(chǔ)時(shí)間的要求。

　　前一種方案，單片機(jī)每隔10秒向EEPROM存入寫(xiě)入一次當(dāng)前的電量，如果當(dāng)前電量與前一次寫(xiě)入的值相等則不寫(xiě)入以節(jié)約EEPROM的寫(xiě)入壽命。存儲(chǔ)時(shí)采用不固定的存儲(chǔ)地址，從0地址開(kāi)始每次寫(xiě)入兩次數(shù)據(jù)，占用8個(gè)字節(jié)，作為備份。下次寫(xiě)入時(shí)將寫(xiě)入地址向后移動(dòng)2個(gè)數(shù)據(jù)的寬度，即8個(gè)字節(jié)。循環(huán)寫(xiě)入整個(gè)EEPROM的空間，如此可以計(jì)算出（1024 * 300,000次） / 8 = 38,400,000次，每隔10秒存儲(chǔ)一次大約可以使用12年。

　　后一種方案，單片機(jī)的ADC管腳連接電壓采集轉(zhuǎn)換，利用采集到的ADC值判斷當(dāng)前主電源的供給狀況。一旦ADC值降低的某一閥值則認(rèn)為主電源斷電，開(kāi)始采用備用電源供給。備用電源采用大電容的方案，單片機(jī)寫(xiě)入雙備份8個(gè)字節(jié)的時(shí)間大約為50ms，寫(xiě)入時(shí)的電流約為2mA，單片機(jī)的運(yùn)行電流（5V）約為8mA。假設(shè)電容從5V放電到3.8V，通過(guò)計(jì)算可以得知0.05s * 0.01A / (5V - 3.8V) = 417uF。故在系統(tǒng)的供電電源上并聯(lián)兩個(gè)470uF的電容即可完全滿足主電源掉電后的存儲(chǔ)電源供給。

　　3.2.車載收音機(jī)應(yīng)用

　　車載收音機(jī)的應(yīng)用方案需要考慮兩塊存儲(chǔ)空間的安排，一塊是寄存 器表區(qū)域，存儲(chǔ)收音機(jī)調(diào)諧器寄存器表的信息。數(shù)據(jù)量大約68個(gè)字節(jié)，這部分存儲(chǔ)信息在出廠時(shí)寫(xiě)入后禁止修改。一塊是用戶參數(shù)值區(qū)域，用于保存收音機(jī)運(yùn)行時(shí)用戶設(shè)置值的空間。大約需要100個(gè)字節(jié)，其中包括開(kāi)關(guān)機(jī)信息、收音機(jī)頻率信息、音量音色信息等等，存儲(chǔ)時(shí)不會(huì)一次刷新整片存儲(chǔ)區(qū)域，一般只會(huì)修改幾個(gè)字節(jié)的信息。

　　按照車載收音機(jī)存儲(chǔ)空間的安排，可以將1K的EEPROM空間按照128個(gè)字節(jié)一塊的大小分割成8個(gè)塊。第0塊用于存儲(chǔ)寄存器表，出廠時(shí)一次寫(xiě)入后禁止改寫(xiě)。從第1塊到第7塊組成一個(gè)循環(huán)鏈表作為用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，每次上電選擇相鄰的兩個(gè)塊作為當(dāng)前存儲(chǔ)空間，下一次上電選擇的兩個(gè)存儲(chǔ)空間向后移一個(gè)。如第一次上電選擇1、2兩個(gè)塊，第二次上電選擇2、3兩個(gè)塊，以此類推，使得EEPROM的每個(gè)塊的擦寫(xiě)次數(shù)平均化。EEPROM空間分配如下圖1所示，開(kāi)機(jī)流程如下圖2所示，遍歷每個(gè)塊直到找到有效的塊并讀出上次斷電前存儲(chǔ)的設(shè)置值，如果直到第7塊都沒(méi)有找到有效塊則載入默認(rèn)值。確定有效的設(shè)置值后初始化寫(xiě)入主數(shù)據(jù)塊和備份數(shù)據(jù)塊一次，程序運(yùn)行時(shí)如果有設(shè)置值的改變則依次修改主數(shù)據(jù)塊和備份數(shù)據(jù)塊。如果遇到意外斷電，至少可以保證一個(gè)數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容是合法有效的。

　　圖 1存儲(chǔ)塊分配

　　圖 2程序開(kāi)機(jī)流程

　　4.總結(jié)

　　綜上所述，本文介紹了兩種常見(jiàn)的單片機(jī)存儲(chǔ)應(yīng)用實(shí)例，均通過(guò)STM8S內(nèi)置EEPROM實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)的方案符合設(shè)計(jì)要求并具備低成本、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于一般單片機(jī)存儲(chǔ)的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]STM8 CPU programming manual, STMicroelectronics, 2009.

　　[2]How to program STM8S Flash program memory and data EEPROM, STMicroelectronics, 2009.

　　[3]AT24WCxx DataSheet，ATMEL，2000.

　　[4]《一種延長(zhǎng)EEPROM使用壽命的方法》，《航空計(jì)算技術(shù)》1995年 第2期

　　[5]《24系列串行EEPROM的正確選用》，《電子技術(shù)（上海）》1998年 第2期