MCU(微控制器)在過去幾十年里在CPU性能、通信接口、模數(shù)和數(shù)模外設(shè)、內(nèi)存大小及讀寫次數(shù)等方面呈指數(shù)發(fā)展。我們專注于帶有非易失性嵌入式存儲器的MCU(我們在USB閃存驅(qū)動器、存儲器等內(nèi)擁有閃存)，從首批帶有一次性編程(OTP)的器件到EPROM(電可編程只讀存儲器)，再到EEPROM (在方程中增加了“可擦”一詞，能夠在不需要紫外線燈的情況下擦除它)，到現(xiàn)在的嵌入式閃存(在某些情況下稱為Flash EEPROM)，這是目前最常用的閃存。
EEPROM和Flash在概念上類似，兩者都是可電擦除和寫入的存儲器，但是它們之間也存在某些差異。最初Flash只能在大數(shù)據(jù)塊上寫入，但是現(xiàn)在兩者比較接近了，一個單字節(jié)、詞或雙詞都可以寫入，取決于架構(gòu)是支持8位、16位還是32位寫入操作，是否需要與偶數(shù)地址對齊，因此主要的區(qū)別是擦除過程。EEPROM的擦除大小很小(在大多數(shù)情況下，只能擦除一個單字節(jié))，而Flash需要在大扇區(qū)中(在某些情況下為數(shù)據(jù)塊或頁面)擦除，而且還取決于所使用的器件，扇區(qū)可以是幾個字節(jié)或是幾千個字節(jié)。
Flash受歡迎主要有兩個原因：一是隨著扇區(qū)的增加，其擦除流程與典型的EEPROM相比，速度更快。使用EEPROM工作時，擦除過程很慢，通常一個字節(jié)以ms為單位。盡管Flash的擦除時間大致相同，但是它適用于擦除整個扇區(qū)。這樣，減少了對設(shè)備進行編程的時間，因此也減少了制造流程所需的時間。另一個原因是Flash存儲器的造價低于EEPROM，因此構(gòu)建有許多Flash存儲器的MCU可實現(xiàn)更高的成本效益。
帶有嵌入式閃存的MCU支持系統(tǒng)內(nèi)編程。這意味著MCU可以在用于最終應(yīng)用的印刷電路板(PCB)上進行編程。在某些情況下，需要增加一些額外電路，以進入或退出編程模式，但是能夠在不移除設(shè)備的情況下進行或先在套接字中進行編程是值得的，這意味著即使軟件開發(fā)沒有完成，板卡也能夠完全填充。還可以在原始版本出來后升級軟件而不更改硬件，從而加快面市速度，因為基于OTP或ROM的設(shè)備需要完整的軟件版本才能夠推出。
演進的下一步是向MCU的Flash存儲器添加自編程功能，允許MCU在運行時執(zhí)行寫入/擦除操作。這樣會帶來兩大好處：一是代碼本身可以包含再次對整個應(yīng)用進行編程的例程，允許通過外設(shè)進行遠程更新(這些通常稱為引導(dǎo)程序，所使用的外設(shè)通常是串行接口)，因此具有很高的靈活性，能夠在安裝后更新設(shè)計;二是能夠在運行時存儲非易失性數(shù)據(jù)，如空調(diào)的溫度或電視上編程后的頻道。
Flash自編程
下面闡述了在沒有雙閃存陣列的情況下如何在系統(tǒng)中和運行時寫入閃存。
要在運行時進行寫入和擦除流程，則需要對任何一側(cè)施加較高電壓或清除各個位。當(dāng)對Flash庫施加高電壓時，無法讀取整個存儲器，因此有兩種典型的替代方案讓系統(tǒng)保持工作：一種是其它存儲器運行寫入/擦除(通常是RAM)Flash的代碼，第二種方法是在執(zhí)行Flash操作時，為CPU提供一種拖延代碼執(zhí)行的方法。
這兩種方法都另有一個限制：由于中斷矢量通常位于Flash存儲器，因此在執(zhí)行Flash命令時需要禁用中斷功能，因為CPU在那段時間無法讀取Flash，而且在需要時，也不能獲取中斷矢量。在使用I2C、UART或USB等串行外設(shè)運行的系統(tǒng)中，這些外設(shè)可以每秒數(shù)kB(如UART或I2C總線)或每秒數(shù)MB(如USB)的速率交流信息;禁用中斷功能幾毫秒便可能導(dǎo)致丟失大量信息。因此，系統(tǒng)需要設(shè)計成在修改Flash時允許停止這些串行通信，然后當(dāng)中斷功能再次啟用時，恢復(fù)所有信息。
雙組Flash實施方案
雙組Flash意味著同一器件中有兩個不同的Flash塊。本文從這里開始以飛思卡爾MC9S08MM128 MCU為例進行闡述。該器件擁有128kB的Flash存儲器，分成兩個64kB的陣列。上一章解釋過在寫入或擦除Flash的這段時間，整個Flash塊都不能讀取。提到有兩種替代方法來執(zhí)行Flash操作：CPU拖延或從RAM運行。同一邏輯適用于一個雙組Flash，但是由于現(xiàn)在有兩個不同的組，因此代碼可以在Flash A中運行以寫入或擦除Flash B，反之亦然。
當(dāng)使用非易失性存儲器來存儲變量時，雙組Flash可以設(shè)計為將所有非易失性變量都存儲在一個Flash組中，即：一個塊用作偽EEPROM，代碼在另一個組中。例如，所有數(shù)據(jù)都將存儲在Flash B中，寫入和擦除存儲器的代碼將在Flash A中，以便更加高效地使用RAM和堆棧。在雙組Flash MCU中也不需要CPU 拖延。系統(tǒng)可以保持運行，因為只有一半的存儲器需要高電壓，另一半可以繼續(xù)正常的代碼執(zhí)行。當(dāng)構(gòu)建應(yīng)用來避免阻塞代碼時，這尤為重要(代碼的各部分，要么停止CPU，或在環(huán)路等待事件發(fā)生以繼續(xù)代碼執(zhí)行，在這種情況下等待Flash命令完成)。
將數(shù)據(jù)保存在Flash B中的另一個好處是不需要禁用中斷功能，因為中斷矢量表是Flash A的一部分。這意味著所有串行通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時器等都可以保持運行，啟用中斷功能，代碼可以在命令執(zhí)行的過程中進行跳轉(zhuǎn)，提取中斷矢量，執(zhí)行中斷服務(wù)例程，并返回，以驗證Flash操作是否完成，以及是否需要啟動新操作。
另外一個特點是向執(zhí)行整個設(shè)計遠程升級的應(yīng)用添加故障容忍功能?？梢詫⑿马椖堪姹颈４嬖谝粋€Flash組中，在另一個組中作為備份進行保存。一旦上傳了新版本并通過了驗證，那么以前的版本便可以擦除。在系統(tǒng)設(shè)計級，可以總是使用Flash A在Flash B中寫入新版本，反之亦然。這樣，即使在更新過程中發(fā)生了故障，也不會丟失工作版本。
EEPROM仿真
使用Flash存儲非易失性信息的一個限制是字節(jié)必須處于已擦除狀態(tài)(所有位都設(shè)為邏輯“1”)才能夠?qū)懭?。這意味著擦除操作將所有位都從扇區(qū)轉(zhuǎn)換為“1”，而寫入操作將某些或全部位都改為“0”。這樣產(chǎn)生的問題是，如果一個變量發(fā)生了改變，需要進行非易失性備份，那么首先需要擦除字節(jié)，但是由于Flash不能逐個字節(jié)擦除，因此需要擦除整個扇區(qū)。
執(zhí)行EEPROM仿真的例程旨在使用Flash而不是單字節(jié)寫入和擦除功能來提供EEPROM功能。一般做法是使用需要存儲在Flash中的所有變量創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu);該結(jié)構(gòu)添加一個字段，指示該扇區(qū)是否活動(這應(yīng)該是寫入的最后一個字節(jié)，以驗證所有數(shù)據(jù)是否已經(jīng)正確寫入)。當(dāng)需要在Flash中更新某些信息時，復(fù)制整個結(jié)構(gòu)。每當(dāng)字節(jié)改變時都進行非易失性更新，或根據(jù)定時器持續(xù)進行備份作為應(yīng)用執(zhí)行的一部分。
根據(jù)應(yīng)用類型，可能進行某些改變，以減少執(zhí)行EEPROM仿真或增加系統(tǒng)強勁性所需的Flash容量。例如，如果使用一個Flash扇區(qū)，非易失性結(jié)構(gòu)將寫入同一扇區(qū)，只要適合扇區(qū)大小，能寫入多少次就寫多少次(因此，建議結(jié)構(gòu)大小適合扇區(qū)內(nèi)的準(zhǔn)確次數(shù)，通常是兩種大小的功率)。在Flash扇區(qū)填滿后，代碼需要擦除扇區(qū)并重新開始。這種方法的好處是只使用一個Flash扇區(qū)，限制是如果在扇區(qū)擦除步驟發(fā)生斷電，那么所有信息都會丟失。另外，F(xiàn)lash耐用性也將加倍。
另一種方法是使用兩個扇區(qū)進行EEPROM仿真。只有在把信息寫入新扇區(qū)后才擦除一個扇區(qū)，因此在Flash中總是有信息的有效副本，從而更加強韌，能夠確保即使在擦除或?qū)懭脒^程中發(fā)生掉電，信息也不會丟失，還增加了存儲非易失性信息所需的Flash容量。根據(jù)應(yīng)用要求來確定應(yīng)該使用哪種方法。
案例研究： 如何在飛思卡爾S08系列中寫入/擦除Flash
在S08系列中執(zhí)行寫入或擦除操作的步驟與此類似。如果要獨立進行寫入、突發(fā)寫入、擦除或整體擦除，第一步是用一些數(shù)據(jù)寫入Flash位置(區(qū)別在于如果命令是擦除或整體擦除，那么所寫入的數(shù)據(jù)是沒有影響的)。之后，寄存器FCMD(Flash命令)需要寫入要執(zhí)行的操作，然后在Flash狀態(tài)寄存器中寫入一個位來下發(fā)命令，代碼需要檢查下發(fā)的Flash命令是否會產(chǎn)生錯誤。在單組Flash部署中，代碼需要等待設(shè)置Flash命令完成標(biāo)志，以便它可以返回正常的代碼執(zhí)行，對于雙組Flash，在檢查了下發(fā)Flash命令沒有導(dǎo)致錯誤產(chǎn)生后將立即返回執(zhí)行其它代碼部分。建議在下發(fā)新命令前，代碼總是檢查以前的命令是否已經(jīng)完成，以避免潛在的問題。
下面的文本框是關(guān)于如何為MCU部署Flash命令的代碼示例。
#define Flash_Busy() FSTAT_FCCF
#define EraseSectorFlashB(Addr) FlashB_Command(Addr, 0xff, FLASH_ERASE_CMD)
#define WriteByteFlashB(Addr, Data) FlashB_Command(Addr, Data, FLASH_PROGRAM_CMD)
void main(void)
{
unsigned char FlashErasedAddress = 0x4000;
unsigned char FlashWrittenAddress = 0x4000;
unsigned char FlashWrittenData = 'A';
if (!Flash_Busy())
{
EraseSectorFlashB(FlashErasedAddress);
}
if (!Flash_Busy())
{
WriteByteFlashB(FlashWrittenAddress, FlashWrittenData);
}
對于雙組Flash：
本節(jié)顯示了Flash B部分主要文件調(diào)用擦除和單字節(jié)寫入例程的典型實施方案。宏定義允許為兩種目的使用相同的例程，因為這兩種操作非常相似。下面是一種推薦的寫入/擦除Flash例程的部署方法。
#pragma CODE_SEG FLASH_A
unsigned char FlashB_Command(unsigned int FlashAddress, unsigned char FlashData, unsigned char Command)
{
/* Write Data into Flash*/
(*(volatile unsigned char *)(FlashAddress)) = FlashData;
/* Write Command */
FCMD = Command;
/* Launch command by setting FSTAT.FCBEF to 1 */
FSTAT = 0x80;
/* Wait at least 4 cycles to read the Error Flags */
_asm NOP;
_asm NOP;
_asm NOP;
_asm NOP;
/* Check if Flash Access Error or Protection Violation Error are Set */
if (FSTAT & (FSTAT_FACCERR_MASK|FSTAT_FPVIOL_MASK))
{
/* If so, finish the function returning FLASH_ERROR to indicate error */
FlashClearErrorFlags();
return (FLASH_ERROR);
}
/* Return FLASH_OK to indicate that the function executed Ok */
return (FLASH_OK);
}
#pragma CODE_SEG DEFAULT
所有寄存器和位名稱對應(yīng)于飛思卡爾S08系列MCU中現(xiàn)有的名稱。
結(jié)論
飛思卡爾雙組Flash是一個簡單的想法，通過增強性能、避免CPU拖延情況、在代碼執(zhí)行過程中保持中斷服務(wù)例程、不需要把例程復(fù)制到RAM，簡化了應(yīng)用設(shè)計。有了這些功能，可以更容易地設(shè)計和部署在代碼執(zhí)行過程中需要寫入或擦除Flash存儲器的最終應(yīng)用。
引導(dǎo)程序或EEPROM仿真等應(yīng)用通過考慮正確的存儲器分配并消除一些限制(如在Flash例程執(zhí)行過程中停止通信外設(shè))，利用該功能，從而提高效率。