提高MSP430G系列单片机的Flash 擦写寿命的方法

摘要

在嵌入式设计中，许多应用设计都需要使用EEPROM 存储非易失性数据，由于成本原因，某些单片机在芯片内部并没有集成EEPROM。MSP430G 系列处理器是TI 推出的低成本16 位处理器，在MSP430G 系列单片机中并不具备EEPROM。为了存储非易失性数据，MSP430G 系列处理器在芯片内部划分出了256 字节的Flash 空间作为信息Flash，可用于存储非易失性数据，但是由于Flash 与EEPROM 在擦写寿命上存在一定差距，所以在实际应用中，这种应用方式并不能够满足所有客户的需求。本应用笔记介绍了使用代码区域Flash 来模拟EEPROM，通过一定的软件处理算法，可以大大增加数据存储周期的一种方法。本文给出了实现上述功能的软件流程。

1. 嵌入式Flash 存储介质与EEPROM 的主要特性对比

电可擦除和编程只读存储器（EEPROM）是在绝大多数嵌入式应用中都会使用到的用于保存非易失性数据的关键器件，用于在程序运行期间保存数据。Flash 闪存（Flash Memory，简称为"Flash"）是一种非易失性（ Non-Volatile ）存储器，广泛应用于各种嵌入式处理器中，用于存储程序代码。

由于硬件成本原因，在许多嵌入式处理器中并没有集成EEPROM 模块，通常我们可以采用在片内Flash 存储器中保存非易失性数据的应用方式来达到使用要求。对一些普通的应用场合，这种使用方式可以满足要求。

表一 EEPROM与Flash 对比分析

特性	EEPROM	MSP430G 系列Flash
写时间	几个ms 随机字节写：5 到10 ms 页写: 100μs每字 (5 to 10 ms 每页 )	字节写：30 个Flash 操作时钟 周期，典型数据70us
擦除时间	N/A	页擦除：4819 个Flash 操作时 钟周期，典型数据10ms 全部擦除：10593 个Flash 操作 时钟周期，典型数据20ms
擦写方法	一旦启动写动作，不依赖CPU， 但需要持续的电源供给	需要芯片内部执行升压操作
读取访问方式	连续方式: 大概100μs 随机字方式: 大概92μs 页方式: 22.5μs 每字节	N/A
擦除次数	10 万次以上，典型参数100 万次	1 万次以上，典型参数10 万次

1.1 写访问时间

由于EEPROM 和Flash 的工作特性不同，所以写访问时间也不相同。Flash 具有更短的写访问时间，所以更适用于对存储速度有要求的场合。

1.2 写方法

外置EEPROM和采用Flash 模拟EEPROM的最大不同之处在于写的方法。

EEPROM：对EEPROM 的写操作不需要额外的操作，只需要提供电源供给；但是一旦启动写操作流程后，写操作不能够被打断。所以需要外接电容器等措施来保证在芯片掉电时能够维持供电，保证完成数据操作。

Flash 模拟EEPROM：当芯片上电后，写操作可以被电源掉电和芯片复位打断。和EEPROM 相比，需要应用设计者增加相关的处理来应对可能存在的异常。

1.3 擦写时间

EEPROM和采用Flash 模拟EEPROM在擦除时间上存在很大的差异。与Flash 不同，EEPROM 在进行写操作之前不要擦除操作。由于Flash 需要几个毫秒时间进行擦除操作，所以如果在进行擦除操作的过程中出现电源掉电的情况，需要软件做相关的保护处理。为了设计一个健壮的Flash 存储器的管理软件，需要深入的了解和掌握Flash 存储器的擦除过程特性。

2. 增加Flash 模拟EEPROM 擦写寿命的方法

可以根据用户的需求采用不同的方法实现Flash 存储器模拟EEPROM。

2.1 虚拟地址加数据方案

通常需要两个页以上的Flash 空间来模拟EEPROM。上电后，初始化代码先查找出有效页，同时将另外一个页初始化为擦除状况，以提供字节写的能力，并用作备份和随时准备执行写入操作。需要存储EEPROM 的变量数据首先写入有效页，当有效页写满后，需将所有数据的最后状态保存到备份页，并切换到备份页进行操作。每一页的第一个字节通常用来指示该页的状态。

每个页存在3 种可能状态：

擦除态：该页是空的。 已写满数据状态：该页已经写满数据，准备切换到下一个页进行操作。 有效页状态：该页包含着有效数据并且标示状态尚未改变，所有的有效数据全部拷贝到了已经擦除的页。

下图以采用两个页模拟EEPROM的方式为例，描述了页状态字的在页0 和页1 之间的切换过程。

采用这种方式，用户不知道数据刷新的频率。

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