基于嵌入式MCU数据Flash的数据存储及管理方法研究与实现 嵌入式, Flash

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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。
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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。
2 具体实施2.1 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                              (1-1)
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入式系统应用，通过数据分区的格式定义，对其某个数据的寻址非常简单。


2.2数据读取操作数据读取操作在最新数据分区上进行，首先通过数据条目的data id进行偏移地址查表，然后根据最新数据分区编号进行地址计算，计算公式如下：
地址=0号分区首地址+(最新数据分区编号*分区大小)+偏移地址          (1-2)
和EEPROM的读取方式一样，直接读取该地址便可以得到数据5，读取操作不会改变最新数据分区及其状态字。其软件实现如下所示：
void ReadEeprom(uint16_t data_id, void *dest_addr,uint16_t size)
{   
    u_EepromWord eedata;
    uint16_t     src_addr;


    src_addr = GetDataAddrFromItsId(data_id);


    src_addr += (Active_bank * EEPROM_SIZE_BYTES);

PROM_SIZE_BYTES));