在一个单片机系统中,往往要求系统能够为用户保存一些参数或数值。这些数据被要求在系统断电后不会“消失”,并在下一次开机后能够被读取和修改。
随着单片机内部集成功能的不断增加,使用片外数据存储器的做法逐渐被含有片内可擦写存储单元的单片机所取代。早期用户可将需要保存的数据存放在片内Flash内,但这种做法对Flash 内程序代码乃至整个系统存在安全性隐患,在片内集成独立的数据存储区成了单片机芯片设计的必然趋势。例如Atmel 公司在AVR 系列单片机产品中,就融入了先进的E2 PROM 电可擦除技术,使该公司的单片机具备了优秀的品质,在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。但不管是将数据保存在Flash 内还是保存在E2PROM 内,都存在一个存储单元可擦写次数的上限。通常芯片厂家标明的是1 000 000 次以上;而对于单片机系统的设计者来说,有部分保存在E2PROM 内的数据在系统运行过程中是需要被频繁擦写的。当存放这些数据的片内存储单元达到擦写次数上限时,这个存储单元就不能再使用了,从而会导致系统出现故障。
另外,单片机内部的E2PROM 空间相对于有待保存的数据量来说是有很大富余的。也就是说,当单片机由于
内部E2PROM 擦写次数超过极限而不能正常工作时,片内仍然有较多的E2PROM 空间没有被利用过,因而产生单片机内部资源的极大浪费。
本文以AVR 系列单片机中的ATmega8 为例,从程序设计角度出发,提出一种切实可行的E2PROM 数据存储策略,最大限度地提高片内E2 PROM 空间的利用率,从而解决上面提到的问题。
1、E2PROM数据动态存储的基本要求一般,把数据存储方式设定为静态,即为固定的地址指定惟一的变量,任何时候读取和改写此地址内数据的操作均视为对该变量的读取和改写。然而这样的存储方式若被用于
E2PROM 内的数据存储,当E2PROM 的某一单元因过量擦写而失效后,这个固定地址内所存放的变量就失去了有效的对应物理空间,这是在做E2PROM 数据存储时不愿意看到的。
解决上述问题的有效方法是对E2PROM 数据实行动态存储。其基本要求和目标是:
① 在整个系统使用寿命内,使E2PROM 空间得到最大利用;
② 系统能够辨别不能使用的E2PROM 单元,从而保障数据安全。
2 、策略分析
为方便叙述,将整个E2PROM 空间分为以下几个部分:统称已经分配给用户使用的地址连续的E2PROM 区
域为“占用块”;称未曾分配的地址连续的E2PROM 区域为“可利用块”或“空闲块”。另外,为记录占用块的使用情况,还要在E2PROM 内划定一个地址连续的区域作为“目录表”。这个目录表记录的是占用块中实际占用空间的地址。与此对应的, 占用块中另外的部分就是废弃空间(单元) 。
采取这样的策略,在高地址的空闲块中先放入目录表。该目录表的大小决定于占用块中实际占用单元的多少,目录表记录实际占用单元的地址;占用块从低地址的空闲块开始分配,系统不再回收已经分配的占用块,一直到占用块中出现废弃单元,系统就为其把现有的占用块扩大,同时修改目录表中的相关地址信息。
在系统运行初期,如果地址信息与数据信息同类型,那么占用块和目录表所占空间大小是一样的,且目录表是
一个低地址的序列。如图1 所示,如果单片机内有N个E2PROM 存储单元内,则在高地址开辟一个目录表空间,记录m 个实际占用单元的地址,即0 ,1 ,2 , …,m-1 。
当系统运行到一定时间后,占用块中的某一个单元会因为E2PROM 数据擦写次数超过限次而失效被废弃,不妨假设这个单元地址是002H ,那么,系统就开始查找当前目录表中所记录的最大地址值,如图2 所示。这个最大地址值加1 ,便是为废弃单元在空闲块重新分配单元的地址,这里是(m-1)+1 = m。同时,目录表所记录的该内容的地址也做出相应修改。
可以预想的是,接着系统在一定时间后,会出现第2个废弃单元,假设这个单元地址是000H。依次类推,如图3 所示,系统会为D0 分配地址m+1 所指向的空间,同时目录表内原先表示D0 所在的地址值会被更改为m+1 。
随着E2PROM 内废弃单元的逐渐增加,空闲块的大小不断缩小。当出现新的废弃单元而没有空闲块可以利用时,系统会出现故障。采用这样的策略后,相对于首次出现废弃单元系统便被摧毁来说,实际上这个出现故障的时间已经被大大延缓了。
设Di 在固定E2 PROM 单元可存放的寿命为ti 。这个值与系统中要求Di 被修改的平均次数有关,其中i = 0 ,1 ,2 , …, m - 1 。
3、实现流程
图4 为实现上述策略的程序流程。
在每一次E2PROM 数据存储的过程中,首先都需要从目录表中查找该数据在占用块内的地址add[ i ] ,然后将新数据D写入该地址。单从算法的角度考虑,认为不存在写失败或读失败的情况,那么随后将写好的数据再读出,通过验证数据的正确性就可以判别该占用单元是不是应该废弃。如果验证通过,修改操作完成;如果验证没有通过,则废弃该地址空间,并通过查询目录表,向后开辟新的占用单元,之后重复存储过程。
4、示例
AVR 单片机在片内集成了可以擦写1 000 000 次的E2PROM 数据存储器,用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据保存,方便使用,减少系统的空间,又大大提高了系统的保密性。下面以AVR 系列中的ATmega8为例,介绍上述的E2 PROM 动态存储策略的C语言程序实现。
结 语
集成独立E2 PROM 数据存储器是单片机设计的必然发展趋势。对于单片机的用户来说,怎样更合理、更科学
地利用好单片机的这些内部资源,需要不断地探索和总结。本文在这方面作了一些努力和有益的尝试。
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