利用基于閃存的MCU實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　采用微控制器的大多數(shù)設(shè)備還需要某種機(jī)制來存儲(chǔ)在斷電時(shí)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(tái)的收音機(jī)肯定不會(huì)在市場(chǎng)上取得很大的成功。用戶希望喜愛的電臺(tái)、預(yù)設(shè)溫度、參數(shù)選擇和其他永久性信息能長(zhǎng)久保存下來供每次開機(jī)時(shí)直接取用。

　　為了滿足這種用戶需求，設(shè)計(jì)師一般使用串行EEPROM。這些器件又小又便宜，具有很長(zhǎng)的歷史，設(shè)計(jì)工程師用起來得心應(yīng)手。但在今天對(duì)成本極其敏感的市場(chǎng)下，即使這樣一個(gè)廉價(jià)的器件也可能突破成本預(yù)算。因此許多設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)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(cuò)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(chǔ)數(shù)據(jù)的機(jī)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(jī)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(dòng)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?cè)试S通過簡(jiǎn)單的MOVE指令訪問閃存程序存儲(chǔ)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(chǔ)器塊被用作代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

　　但即使能夠從隨機(jī)閃存位置讀取數(shù)據(jù)，完整的非易失性存儲(chǔ)器子系統(tǒng)也必須能夠隨機(jī)修改閃存中的數(shù)據(jù)。這意味著需要解決兩個(gè)問題：首先，一旦某個(gè)閃存位置被寫入，那個(gè)位置的數(shù)據(jù)只能通過擦除整個(gè)閃存塊(通常128字節(jié)或以上)進(jìn)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(gè)能夠解決這些問題、并使用閃存塊模擬隨機(jī)寫入的機(jī)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(jì)。

　　閃存管理的基本知識(shí)

　　閃存是一種電可擦除的存儲(chǔ)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(duì)這種存儲(chǔ)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(gè)塊。這使得它們不適用于頻繁變化的存儲(chǔ)應(yīng)用，只適合存儲(chǔ)那些永遠(yuǎn)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(chǔ)卡和閃盤。一般來說，從NAND器件讀取數(shù)據(jù)需要幾個(gè)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(chǔ)程序代碼，因?yàn)榇嫒r(shí)間太長(zhǎng)。而NOR閃存更像是傳統(tǒng)的字節(jié)或字寬的存儲(chǔ)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(shí)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(gè)位置都是0xFFFF。“編程”一個(gè)閃存位置是把某些位從“1”狀態(tài)改變?yōu)?ldquo;0”狀態(tài)。為了使編程過的位返回到“1”狀態(tài)，整個(gè)塊必須被擦除。

　　任何電可擦除的存儲(chǔ)器件都面臨壽命的問題。根據(jù)所用技術(shù)的不同，一個(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)的任何方案都必須確保寫入次數(shù)在整個(gè)單元陣列上獲得均勻分布，沒有一個(gè)位置會(huì)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(gè)位置再用0x7FFE進(jìn)行編程，因?yàn)檫@種操作不會(huì)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(jiǎn)單：因?yàn)橐痪幊痰拇鎯?chǔ)塊主要用作代碼空間，通常禁止對(duì)前面寫過的位置作任何寫操作。因?yàn)橹噶?xFFFF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(chǔ)器服務(wù)

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