基于嵌入式MCU数据Flash的数据存储及管理方法研究与实现
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摘要：本文设计了一种利用MCU内部数据Flash存储非易失性数据的方法，它将数据Flash的若干扇区划分为多个数据分区
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关键词：数据flash；数据分区；扇区；EEPROM
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.015
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。
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。
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）
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。
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（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）；
while（0 ！= size）{
eedata.word = READFLASH16（src_ addr）；
*（uint8_t*）dest_addr = eedata.byte. msb；
（（uint8_t*）dest_addr）++；
src_addr++；
size--；
进行分区拷贝操作，操作完成后更新最新分区及最新分区状态字。数据写操作流程如图2所示。
通过为每个数据建立状态字来表示是否已经在当前分区上进行了存储操作，数据1的存储操作便不会影响数据2的存储，数据2仍然能够在当前分区上进行存储，而不会每次只要有数据的写操作都会造成所有的数据在分区之间的搬移，这样不仅提高了写操作的效率，而且会进一步提高Flash的使用寿命[7]。
分区拷贝操作
在进行数据在分区间的拷贝操作时，首先备份当前最新分区状态字和最新数据分区编号，然后更新最新数据分区编号，查看最新数据分区首地址是否是Flash扇区首地址，如果是，执行扇区擦除操作[8]，然后按照Flash的写操作命令序列在当前最新数据分区的data id地址处写入data id，在data地址处写入data，然后将备份数据分区内的其他数据复制到当前最新数据分区中。
最新数据分区及状态字更新
最新数据分区编号的更新算法为：将最新数据分区编号加一，判断其结果，如果最新数据分区编号等于分区个数，设置最新数据分区编号为0。状态字更新算法为：判断所备份最新数据分区状态字是否等于0xfe，如果等于0xfe，设置最新分区状态字为0，否则最新分区状态字加一，然后将最新分区状态字写入当前最新数据分区状态字地址，即数据分区首地址位置。
掉电存储
如果嵌入式系统在写操作期间掉电，由于在发生掉电时最新数据分区状态字还没有更新，再次上电时查找到的最新数据分区仍然是写操作进行前的那个数据分区，通过在写入操作完成后更新状态字的方式保证了即使发生了掉电，重新上电后数据仍能恢复为原来的数据分区中的数据。上电时通过分区状态字查找最新数据分区的算法如下：
（1）当存在取值为0的分区状态字时，小于分区数的最大状态字代表的分区为最新数据分区；
（2）当不存在取值为0的分区状态字时，最大状态字代表的分区为最新数据分区；该算法实现流程如附图3所示，上电后经过该算法处理后，可以得到最新数据分区编号和最新数据分区状态字，其软件代码如下所示：
由上述函数可见，应用本专利所设计方法，可以屏蔽底层实现细节，提供给应用层简单、清晰、和EEPROM一样简便的接口。
本文从Flash特性出发研究并实现一种高效的数据存储及管理方法，其实现层面实现与EEPROM同样的应用接口，具有很高的使用价值，同时有效利用了MCU的内部资源，提高了MCU Data Flash的使用寿命，使之可以满足产品生命周期要求，并节约了产品的BOM成本，所设计方法在笔者设计的汽车仪表盘中得到实际应用和长时间验证，运行效果良好，具有很好的实用价值。