實(shí)例分析MCU的Data Flash訪問(wèn)控制

　　筆者在家用火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在進(jìn)行主從機(jī)通訊和從機(jī)自身任務(wù)處理時(shí)，需要經(jīng)常與從機(jī)MCU進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的存取。過(guò)去傳統(tǒng)的方法是在MCU上外掛EEPROM或?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/MCU">MCU內(nèi)部的部分存儲(chǔ)單元專(zhuān)門(mén)劃分出來(lái)，以存取運(yùn)行數(shù)據(jù)。這兩種方法的不利之處是：外掛EEPROM需要增加MCU與EEPROM的讀寫(xiě)接口，增加了MCU的管腳負(fù)擔(dān)，減慢了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度的同時(shí)還增加了功耗；專(zhuān)門(mén)為運(yùn)行數(shù)據(jù)劃分存儲(chǔ)單元?jiǎng)t減少了程序代碼的存儲(chǔ)空間，同時(shí)存儲(chǔ)空間的讀寫(xiě)、擦除等操作會(huì)比較麻煩，另外還要非常小心，以防擦掉了有用的程序代碼。

　　瑞薩RL78系列MCU內(nèi)嵌2KB的DATA FLASH，省去了用戶單獨(dú)外擴(kuò)數(shù)據(jù)FLASH的麻煩。RL78系列MCU還支持BGO操作，程序指令在DATA FLASH讀寫(xiě)時(shí)仍可正常執(zhí)行。其對(duì)DATA FLASH存儲(chǔ)單元的寫(xiě)操作壽命高達(dá)1百萬(wàn)次以上，非常適合于需要頻繁存取數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　與有些半導(dǎo)體廠商的控制芯片不同，瑞薩并沒(méi)有直接將DATA FLASH的讀寫(xiě)操作完全開(kāi)放給用戶，而是提供了一套叫做PFDL（Pico Data Flash Library，即微型數(shù)據(jù)閃存訪問(wèn)庫(kù)）的軟件接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閃存系統(tǒng)的操作。用戶使用時(shí)只需要調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)即可進(jìn)行DATA FLASH的讀寫(xiě)、校驗(yàn)、擦除等操作，而不必關(guān)心底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式。這在很大程度上方便了用戶程序的設(shè)計(jì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

　　1）DATA FLASH結(jié)構(gòu)和PFDL

　　RL78的存儲(chǔ)結(jié)如圖1所示。其中Data Flash memory物理地址為F1000H-F17FFH，被分成了兩個(gè)BLOCK區(qū)，每個(gè)BLOCK區(qū)1KB，共2KB。

　　圖1：瑞薩RL78系列MCU的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　PFDL由表1所示的庫(kù)文件組成。

　　表1：PFDL庫(kù)文件

　　2）Data Flash的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和使用方法

　　首先有必要將RL78系列MCU關(guān)于DATA FLASH操作的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。RL78系列DATA FLASH的擦除操作只能以BLOCK為單位，不支持單字或單字節(jié)擦除。所以當(dāng)有一項(xiàng)長(zhǎng)度為若干字節(jié)的數(shù)據(jù)要寫(xiě)入DATA FLASH時(shí)，不可能將數(shù)據(jù)每次都寫(xiě)入固定的物理地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，而是必須在新的空存儲(chǔ)單元中寫(xiě)入。這就意味著用戶在設(shè)計(jì)DATA FLASH的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須有尋址功能。

　　RL78系列DATA FLASH同一時(shí)刻只能有1個(gè)BLOCK處于激活狀態(tài)，是有效的，此時(shí)另一個(gè)BLOCK不可訪問(wèn)，是無(wú)效的。習(xí)慣上，我們常將DATA FLASH的一個(gè)BLOCK稱為一頁(yè)，當(dāng)一個(gè)有效頁(yè)被寫(xiě)滿數(shù)據(jù)時(shí)，要想繼續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的話，則只能在下一頁(yè)中寫(xiě)入，同時(shí)還需要將前一頁(yè)中有用的其他數(shù)據(jù)項(xiàng)拷貝到下一頁(yè)中，并將下一頁(yè)標(biāo)記為當(dāng)前的有效頁(yè)，將上一頁(yè)標(biāo)記為無(wú)效頁(yè)，即必須有DATA FLASH的頁(yè)標(biāo)記和導(dǎo)頁(yè)機(jī)制。

　　為此，筆者將整個(gè)DATA FLASH分成兩頁(yè)（每個(gè)BLOCK自然形成一頁(yè)，兩頁(yè)交替使用），每頁(yè)的起始地址作為頁(yè)標(biāo)記單元，見(jiàn)表2。每次進(jìn)行DATA FLASH操作前應(yīng)先讀取該標(biāo)記單元來(lái)確認(rèn)當(dāng)前有效頁(yè)。

表2：頁(yè)標(biāo)記

　　如前所述，各種數(shù)據(jù)項(xiàng)同時(shí)在DATA FLASH中存在時(shí)，其存儲(chǔ)地址是不固定的，如不加以區(qū)分，將不能識(shí)別數(shù)據(jù)，所以為實(shí)現(xiàn)DATA FLASH的尋址功能，我們引入數(shù)據(jù)項(xiàng)索引的概念。在每頁(yè)DATA FLASH中，將存儲(chǔ)單元一分為二，上半部分用于存放數(shù)據(jù)項(xiàng)索引，數(shù)據(jù)項(xiàng)索引用于在DATA FLASH中區(qū)別各種不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并指示其代表的數(shù)據(jù)項(xiàng)在DATA FLASH中存儲(chǔ)的相對(duì)地址。下半部分用于存放各種數(shù)據(jù)項(xiàng)。

　　為進(jìn)一步描述的方便，我們不妨舉例說(shuō)明，假設(shè)用戶有A、B、C、D四種數(shù)據(jù)項(xiàng)需要在DATA FLASH中存取，每種數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分別為1、2、3、4字節(jié)，其定義如表3所示。

　　表3：數(shù)據(jù)項(xiàng)定義

　　一個(gè)典型的DATA FLASH存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的例子如圖2所示。頁(yè)標(biāo)記占用每頁(yè)的相對(duì)起始地址單元。相對(duì)地址0x0001~0x01FF定義為數(shù)據(jù)項(xiàng)索引區(qū)，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)索引包含3個(gè)字節(jié)，分別是數(shù)據(jù)項(xiàng)索引、索引數(shù)據(jù)地址低字節(jié)、索引數(shù)據(jù)地址高字節(jié)。相對(duì)地址0x0200~0x03FF定義為數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)區(qū)。

　　向DATA FLASH寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，先找到當(dāng)前有效頁(yè)，然后在當(dāng)前頁(yè)中查找是否有可供寫(xiě)入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和索引空間。查找時(shí)可采取自上而下的查找順序，先分別從每頁(yè)數(shù)據(jù)項(xiàng)索引區(qū)和數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)區(qū)的相對(duì)起始地址開(kāi)始查找空白單元，若有滿足該數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)要求的連續(xù)空白存儲(chǔ)單元，則調(diào)用寫(xiě)FLASH庫(kù)函數(shù)將數(shù)據(jù)項(xiàng)索引和數(shù)據(jù)項(xiàng)寫(xiě)入該存儲(chǔ)空間。

　　圖2：DATA FLASH存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　從DATA FLASH讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先找到當(dāng)前有效頁(yè)，然后在當(dāng)前頁(yè)中查找所要讀取的數(shù)據(jù)位于何處，即尋址。查找時(shí)應(yīng)采取自下而上的查找順序（可確保每次查找到的是該種數(shù)據(jù)項(xiàng)的最新數(shù)據(jù)），從每頁(yè)數(shù)據(jù)項(xiàng)索引區(qū)的相對(duì)結(jié)束地址開(kāi)始查找數(shù)據(jù)項(xiàng)索引，若索引匹配則表明數(shù)據(jù)項(xiàng)找到，若未找到匹配索引則表明要讀取的數(shù)據(jù)項(xiàng)未找到（未寫(xiě)入DATA FLASH），可設(shè)計(jì)函數(shù)返回不同值來(lái)表示是否找到數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)索引匹配時(shí)，讀出存儲(chǔ)在索引數(shù)據(jù)地址單元中的數(shù)據(jù)項(xiàng)地址，調(diào)用讀FLASH庫(kù)函數(shù)讀出數(shù)據(jù)項(xiàng)即可。

　　3）總結(jié)

　　使用上述DATA FLASH存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可尋址和頁(yè)交替，比較充分的利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。另外，數(shù)據(jù)項(xiàng)索引區(qū)和數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)區(qū)的劃分并不一定要各占一半存儲(chǔ)空間，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際的各種數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)度來(lái)選擇優(yōu)化，當(dāng)每種數(shù)據(jù)項(xiàng)字節(jié)數(shù)較多時(shí)，可適當(dāng)增加數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)區(qū)的空間，避免存儲(chǔ)空間浪費(fèi)。為了使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加可靠，可使用數(shù)據(jù)的三備份存儲(chǔ)機(jī)制：實(shí)際存儲(chǔ)的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，均按順序地址依次進(jìn)行三備份存儲(chǔ)，讀取時(shí)必須有兩個(gè)備份相同才能確認(rèn)數(shù)據(jù)有效。