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

　　為了滿足這種用戶需求，設(shè)計師一般使用串行ＥＥＰＲＯＭ。這些器件又小又便宜，具有很長的歷史，設(shè)計工程師用起來得心應(yīng)手。但在今天對成本極其敏感的市場下，即使這樣一個廉價的器件也可能突破成本預(yù)算。因此許多設(shè)計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數(shù)據(jù)的機(jī)制?；隈T·諾伊曼架構(gòu)的處理器，如ＴＩ?。停樱校矗常埃梢允褂萌魏螌ぶ纺Ｊ阶x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：

　?。保“停希郑牛茫ㄒ苿映?shù)）指令的非常流行的８０５１處理器系列；

　?。玻“裕拢蹋遥暮停裕拢蹋祝遥ū碜x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，它們允許通過簡單的ＭＯＶＥ指令訪問閃存程序存儲空間（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)交換允許任何存儲器塊被用作代碼或數(shù)據(jù)存儲器。

　　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問題：首先，一旦某個閃存位置被寫入，那個位置的數(shù)據(jù)只能通過擦除整個閃存塊（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。

　　閃存管理的基本知識

　　閃存是一種電可擦除的存儲器，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)，因此對這種存儲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，但只能擦除整個塊。這使得它們不適用于頻繁變化的存儲應(yīng)用，只適合存儲那些永遠(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)常用于存儲卡和閃盤。一般來說，從ＮＡＮＤ器件讀取數(shù)據(jù)需要幾個周期，并且大部分是用串行方式完成的。

　　因此ＮＡＮＤ閃存不適于存儲程序代碼，因為存取時間太長。而ＮＯＲ閃存更像是傳統(tǒng)的字節(jié)或字寬的存儲器?？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，塊中的每個位置都是０ｘＦＦＦＦ?！熬幊獭币粋€閃存位置是把某些位從“１”狀態(tài)改變?yōu)椤埃啊睜顟B(tài)。為了使編程過的位返回到“１”狀態(tài)，整個塊必須被擦除。

　　任何電可擦除的存儲器件都面臨壽命的問題。根據(jù)所用技術(shù)的不同，一個閃存單元在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。使用閃存存儲數(shù)據(jù)的任何方案都必須確保寫入次數(shù)在整個單元陣列上獲得均勻分布，沒有一個位置會出現(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編程過的那個位置再用０ｘ７ＦＦＥ進(jìn)行編程，因為這種操作不會將任何位從“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。

　　理由很簡單：因為要被編程的存儲塊主要用作代碼空間，通常禁止對前面寫過的位置作任何寫操作。因為指令０ｘＦＦＦＦ代表的是無效的源子譯碼（ｓｏｕｒｃｅ?。螅酰猓洌澹悖铮洌澹?，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。

　　提供非易失性存儲器服務(wù)

　　以下是提供非易失性存儲器服務(wù)的兩種方案。種方案側(cè)重于簡單性，第二種方案比較靈活，但代價是較復(fù)雜。

　　方案１

　　問題：校準(zhǔn)信息、ＭＡＣ地址或制造數(shù)據(jù)等配置數(shù)據(jù)必須要存儲在產(chǎn)品中。雖然這些通常是固定不變的信息，但在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)配置數(shù)據(jù)需要多次更新的可能性還是存在的。

　　解決方案：下面是實際中容易想到的例子。有兩個塊，一個塊在字地址０ｘ７Ｅ００處，另一個在０ｘ７Ｆ００處，都用于數(shù)據(jù)存儲。在次收到保存配置數(shù)據(jù)的命令時，處理器會檢查這兩個塊，在發(fā)現(xiàn)它們都是空塊后，配置數(shù)據(jù)被就存入個塊。

　　保存配置數(shù)據(jù)的第二條命令同樣會使處理器再檢查這兩個塊。當(dāng)發(fā)現(xiàn)塊０已經(jīng)有數(shù)據(jù)后，它就將配置數(shù)據(jù)拷貝到塊１，然后擦除塊０中的數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)收到恢復(fù)配置的請求時（比如在上電時），處理器會同時讀取兩個塊的數(shù)據(jù)并確定哪個塊在用。只要是沒被擦除的塊就是在用塊。

　　這種方案的主要優(yōu)點是簡單：如果設(shè)備在上電（或其他配置恢復(fù)事件）時需要塊中的配置數(shù)據(jù)，這是很好的一種方案。讀數(shù)程序會接受一個字長的指針，返回該地址的數(shù)值，寫入程序則接受一個字長的指針，然后嘗試向該地址進(jìn)行寫入操作。擦除程序只是同時擦除兩個塊。

　　這種方案的主要缺點就是主要優(yōu)點的反面：程序的思路太過簡單。沒有操作去判斷寫入數(shù)據(jù)是否成功—在發(fā)出寫入命令后，如果寫入失敗，處理器不會做任何事去解決問題。這也是為什么這個方案只是用來寫入已知是空的閃存塊的原因。

　　方案２

　　問題：要求用非易失性存儲技術(shù)來跟蹤用電量和其他經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)。更新經(jīng)常是一周數(shù)次或一天數(shù)次發(fā)生。

　　解決方案：這是即使傳統(tǒng)ＥＥＰＲＯＭ也需要尋求幫助的場合。問題是：更新的頻率和所有非易失性存儲器有限的寫入壽命這樣的事實不允許反復(fù)寫入和擦除單個ＥＥＰＲＯＭ單元?？紤]一個小時更新的情況，具有１萬次寫入－擦除次數(shù)限制的ＥＥＰＲＯＭ只需一年時間就會失效，這個時間比電表所需的十年設(shè)計目標(biāo)少得太多了。

　　解決這個問題的方法之一是實現(xiàn)某種形式的“損耗均衡”。這意味著不會有單個位置被反復(fù)寫數(shù)據(jù)。相反，寫入操作將呈類似合理指數(shù)分布的方式分散到整個存儲器陣列。

　　損耗均衡是一種很好理解的技術(shù)，在閃存器件中使用就是出于這個目的。但它的算法非常復(fù)雜和難以理解，不過對我們來說，一個更簡單的原理介紹就足夠了。

　　存儲陣列中的數(shù)據(jù)項是由數(shù)據(jù)單元（ｄａｔａ?。澹欤澹恚澹睿簦┨栆玫?，而不是地址。

　　數(shù)據(jù)單元號是一個識別數(shù)據(jù)單元的任意８位數(shù)，因此在這種方案中，多有２５５個數(shù)據(jù)單元（數(shù)據(jù)單元０是保留單元）。

　　每個數(shù)據(jù)單元有一個雙字節(jié)的頭部（見圖２），包含了數(shù)據(jù)單元號和數(shù)據(jù)單元長度以及留給差錯管理使用的足夠空間，其中長度是一個兩位代碼，可表示１個、２個、３個或４個１６位的字。

　　圖２：數(shù)據(jù)單元的頭部結(jié)構(gòu)。

　　寫一個數(shù)據(jù)單元需要知道寫入數(shù)據(jù)的地址、寫入數(shù)據(jù)的單元號和長度。寫函數(shù)先尋找陣列結(jié)尾，然后緊跟一個記錄之后寫入新的數(shù)據(jù)單元。

　　如果閃存頁中沒有足夠的空間容納指定長度的記錄，一個表示結(jié)尾的頁標(biāo)記將被寫入，并會打開一個新的頁。有關(guān)典型數(shù)據(jù)頁的結(jié)構(gòu)請見圖３。

　　圖３：典型的數(shù)據(jù)頁。

　　在展開的數(shù)據(jù)頁中，先寫入經(jīng)常要更新的數(shù)據(jù)單元１，再寫入從不更新的數(shù)據(jù)單元４，然后寫入需要多次更新的數(shù)據(jù)單元３。，寫入從不更新的數(shù)據(jù)單元２。

　　出現(xiàn)頁的結(jié)尾標(biāo)記表明過進(jìn)行過數(shù)據(jù)寫入嘗試，但由于數(shù)據(jù)單元太長而無法將數(shù)據(jù)單元裝進(jìn)該頁，因此打開了一個新頁來容納該數(shù)據(jù)單元。整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)尾設(shè)定為空白單元，這個位置有望成為單元頭部。

　　值得注意的是，我還沒有說明重復(fù)記錄的問題。這是因為在這種方案中重復(fù)記錄不是問題。事實上，讀寫程序是完全忽略重復(fù)記錄的。

　　在寫數(shù)據(jù)時，新的記錄會寫在陣列的，而不管是否有相同號碼的記錄存在。在讀數(shù)據(jù)時，只有匹配請求記錄號的，也就是近的記錄被讀出來。

　　從陣列中讀出一個數(shù)據(jù)單元要比寫入稍微復(fù)雜一些。讀函數(shù)首先接受應(yīng)被寫入數(shù)據(jù)單元內(nèi)容的單元號碼和地址。當(dāng)被調(diào)用時，讀函數(shù)從頭開始搜索陣列。

　　當(dāng)它找到與請求數(shù)據(jù)單元相匹配的記錄時，它將對應(yīng)的地址先存起來，然后繼續(xù)搜索。如果它找到另外一條匹配的記錄，它就用新的地址代替剛才存儲的地址。

　　當(dāng)?shù)竭_(dá)陣列結(jié)尾時，終存儲的地址將指向近寫入拷貝的請求記錄。讀函數(shù)隨即在被調(diào)用時將這個數(shù)據(jù)拷貝到緩存。

　　復(fù)用存儲器空間

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了一種以讀取為主的可行機(jī)制用于從存儲陣列中存取記錄。剩下只有一個問題：我們還沒有建立起復(fù)用被廢棄的記錄拷貝占用的空間。（我們也還沒有建立刪除記錄的機(jī)制，但由于是用在嵌入式應(yīng)用中，這可能不是一個很重要的特性）

　　如果不恢復(fù)空間，分配的空間將很快用完?；謴?fù)空間意味著擦除整個頁，因為閃存只能擦除一整頁。但閃存頁被隨意擦除時將會出現(xiàn)刪除有用信息的風(fēng)險。的方法是在擦除舊頁時將有效信息拷貝到新的頁。

　　從廢棄記錄恢復(fù)空間要分三步走：首先，打開新的閃存頁，將每個數(shù)據(jù)單元的版拷貝到新的頁；然后，刪除舊頁；，在新頁上放置頁標(biāo)記以便讀程序能找到它們。

　　步有些技巧，因此我們稍詳細(xì)地進(jìn)行介紹。執(zhí)行這一步的簡單方法是將它分成兩小步：步，使用ＲＡＭ陣列存儲記錄號和陣列中記錄的地址；第二步，穿過ＲＡＭ陣列將的記錄拷貝到新的閃存頁。這個過程很快，相對也比較順利。

　　這種方案的問題是所用處理器（見圖１）的ＲＡＭ為１Ｋ字。這種方案將限制可存儲進(jìn)ＲＡＭ中的單一數(shù)據(jù)數(shù)量，因為這個ＲＡＭ還要節(jié)省下來用作緩存。這是明顯不能接受的。

　　這種解決方案非常耗時，但不管存儲陣列多大（在合理范圍內(nèi)）都能正常工作。該方案不會在ＲＡＭ中創(chuàng)建一份指針列表，而是針對每個單一條目（ｅｎｔｒｙ）在源陣列中作多次穿越。因此壓縮算法變?yōu)椋?/FONT>