基于嵌入式MCU数据Flash的数据存储及管理方法研究与实现

摘要：本文设计了一种利用MCU内部数据Flash存储非易失性数据的方法，它将数据Flash的若干扇区划分为多个数据分区，不同数据分区存储数据在不同历史时间的拷贝，最新数据分区存储最新的数据拷贝;在数据读操作进行时，计算最新数据拷贝的Flash存储位置，直接读取该地址;在数据写操作进行时，判断数据写入位置是否已经被擦除，如果写入位置未擦除，将数据写入下一个分区，同时将当前分区中的其他数据复制到下一个分区;如果写入位置已经擦除，直接将数据写入当前分区中。该方法实现了类似EEPROM的数据读写方式，操作方便，应用接口简单，而且可以尽量避免扇区擦除操作，提高存储效率，同时提高MCU内部数据Flash的使用寿命。

引言

在嵌入式系统设计中，经常需要存储一些非易失性的数据，在笔者开发的电动汽车仪表盘中，需要存储总里程、小计里程、电机故障等其他信息，采用支持对字节读写的EEPROM实现数据存储，操作起来和RAM一样简单方便，但同时会在大批量产品的生产中带来成本问题和维护问题。在有数据Flash的MCU中，采用数据Flash代替EEPROM实现非易失性的存储，便可以节约成本且无需维护，笔者所设计的仪表盘采用内置4KB数据闪存的MC9S12HY32做为处理器，足以满足仪表盘数据存储要求。用Flash存储数据的传统方式是为每个数据分配固定的存储地址，由于Flash在进行写操作时需要先擦除数据所在的整个扇区^[1]，对一个数据进行写操作便会造成对扇区内其他数据的擦除，由于擦除操作耗时较长，不仅效率低，影响嵌入式系统的实时性，而且为了避免丢失其他数据需要相当复杂的处理，对MCU的RAM空间也有一定的要求。如果写入数据失败，会造成所写入数据的丢失，如果在擦除扇区后发生掉电，便会造成扇区内所有数据的丢失。不仅如此，由于每次写入操作都需要先擦除扇区，以擦除次数表征的Flash使用寿命也无法满足产品生命周期的要求。本文提供一种利用MCU内部数据Flash存储非易失性数据的方法^[2]，它不仅操作方便，应用接口简单，而且可以尽量避免扇区擦除操作，提高存储效率，同时提高MCU内部数据Flash的使用寿命。

总体设计

通过在MCU数据Flash上建立多个数据分区，存储数据的多个拷贝，避免对Flash固定地址的反复擦除，提高Flash的使用寿命，同时通过数据读写方法的设计和数据分区的管理，避免对Flash扇区的不必要擦除，并最终实现和EEPROM读写很类似的应用接口。具体地，首先根据嵌入式系统的应用需求和MCU内部数据Flash的扇区大小，合理设置数据分区大小和个数，将数据Flash的若干扇区划分为多个数据分区。在每个数据分区的起始地址设置分区状态字^[3]，反映数据分区的存储历史时间，不同数据分区存储数据在不同历史时间的拷贝，当前数据分区存储最新的数据拷贝;同时为每个数据条目建立数据状态字，反映该数据在所在分区内存储地址是否已经被擦除。

系统上电后，首先根据数据分区状态字查找存储最新数据的分区，将之设置为最新数据分区，并设置其分区状态字为最新分区状态字。在数据读操作进行时，根据最新数据分区及数据在分区内的偏移地址计算最新数据拷贝的Flash存储位置，直接读取该地址。在数据写操作进行时，首先计算该数据的Flash存储地址，然后根据数据状态字判断数据所在的Flash存储地址是否已经被擦除^[4]，如果写入位置已经擦除，直接将数据写入当前分区中，其他数据保持不变;如果写入位置未擦除，进行分区拷贝操作，即将数据写入下一个分区，将当前分区中的其他数据依次复制到下一个分区，同时将下一个分区设置为最新数据分区，更新最新分区状态字并存储在最新数据分区首地址位置。其设计流程如图1所示。

具体实施

数据分区设计

首先根据嵌入式系统的应用需求和MCU内部数据Flash的扇区大小，合理设置数据分区大小和个数，将数据Flash的若干扇区划分为多个数据分区，其取值均为2的n次幂，分区以0,1,2…进行编号，个数不大于256。分区大小和个数的设置和数据Flash的扇区长度匹配起来，满足以下公式：

分区大小*分区个数=扇区大小*扇区个数 (1)

在每个数据分区的起始地址设置分区状态字，反映数据分区的存储历史时间，在分区擦除后的第一次写操作完成后更新。设置数据条目的格式为data id+data，data id取值区间为[0,254]，为每个数据条目的data id和data分配偏移地址，建立数据序列，组织数据分区，数据分区的格式为：分区状态字+ data id 1 + data 1 + data id 2 + data 2…。数据分区这样的存储结构非常适合需要进行多个独立数据存储的嵌