充分利用MAXQ?處理器的非易失存儲(chǔ)服務(wù)

摘要：需要非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用通常都需要使用外部串行EEPROM。這篇文章介紹了僅使用MAXQ微控制器中已有的閃存提供非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法。

引言

需要微控制器的應(yīng)用通常也需要一些機(jī)制，即使在掉電的情況下也可以保存設(shè)置。例如，一臺(tái)收音機(jī)，假如在更換電池的時(shí)候會(huì)丟失之前的電臺(tái)設(shè)置，肯定不會(huì)在當(dāng)今的市場(chǎng)上獲得成功?？蛻羝谕矚g的頻道、溫度預(yù)設(shè)值、參數(shù)首選項(xiàng)和其他持久性的信息能夠一直被保存。

為滿足客戶對(duì)非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，設(shè)計(jì)師通常會(huì)使用一個(gè)串行EEPROM。這些EEPROM器件體積很小、價(jià)格便宜、而且在市場(chǎng)上已經(jīng)被長(zhǎng)期使用，設(shè)計(jì)工程師使用這些器件非常便利。但是在當(dāng)今對(duì)成本非常敏感的市場(chǎng)領(lǐng)域，增加一個(gè)并不昂貴的EEPROM可能會(huì)使設(shè)計(jì)超出預(yù)算。

很多處理器使用閃存存儲(chǔ)程序代碼，使用靜態(tài)RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。盡管充分利用閃存未使用的部分作為非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)很有吸引力，但是傳統(tǒng)的哈佛架構(gòu)制約了這種應(yīng)用。MAXQ架構(gòu)屬于哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)總線。但MAXQ器件包含的硬件部分可以實(shí)現(xiàn)偽馮諾依曼架構(gòu)，如同訪問數(shù)據(jù)空間一樣訪問代碼空間。這種額外的多功能性，結(jié)合MAXQ的效用函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的擦寫服務(wù)，為完整的可讀寫非易失存儲(chǔ)子系統(tǒng)提供了解決方案。

關(guān)于閃存的基本考慮

閃存是一種電子可擦除存儲(chǔ)。通常也被認(rèn)為是“主讀”。簡(jiǎn)言之，盡管閃存是可寫的，但數(shù)據(jù)更新并不會(huì)很頻繁，多數(shù)的操作都是讀操作。多數(shù)閃存器件從字面意思來講都是可寫的，但每次只能整塊擦除。這使得那些存儲(chǔ)器件通常都不適合用于易變存儲(chǔ)，只適合用作從不改變內(nèi)容的固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

有兩種類型的閃存：NAND閃存和NOR閃存。NAND閃存用在存儲(chǔ)卡和U盤中。通常，由于數(shù)據(jù)按時(shí)鐘串行傳輸，從NAND器件中讀數(shù)據(jù)需要數(shù)個(gè)周期。這種有序的操作使NAND閃存不適合用作程序代碼存儲(chǔ)，因?yàn)樽x取時(shí)間會(huì)太長(zhǎng)。相反，NOR閃存類似傳統(tǒng)字節(jié)寬度或字寬度存儲(chǔ)。讀取NOR閃存就像讀取ROM器件：先發(fā)器件選擇和地址命令，在等待足夠的存取時(shí)間之后，從總線上讀取數(shù)據(jù)。NOR閃存用于MAXQ處理器中。

MAXQ處理器的閃存

MAXQ處理器中使用的閃存單元被擦除時(shí)會(huì)變成“1”狀態(tài)。因此，在擦除后，存儲(chǔ)單元中的每個(gè)位置都將包含0xFFFF。對(duì)某一存儲(chǔ)位置進(jìn)行編程會(huì)把某些位從“1”變成“0”狀態(tài)。為了使被編程過的位重新變回“1”狀態(tài)，整個(gè)單元必須被擦除。

任何電擦除的存儲(chǔ)器件必須面臨的問題是持久性。根據(jù)特定的技術(shù)，一個(gè)閃存單元在完全失效之前，可以忍耐的擦除次數(shù)少達(dá)1,000次，多達(dá)1,000,000次。因此，使用閃存做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任何應(yīng)用都必須保證寫操作循環(huán)在整個(gè)陣列中均勻分布，不允許某一個(gè)位置的擦除編程次數(shù)比其他位置多很多。

多數(shù)閃存器件都允許把之前已經(jīng)編程過的位置中的沒有編程過的位從“1”變成“0”狀態(tài)。例如，對(duì)于多數(shù)器件，允許對(duì)某個(gè)位置編程，把數(shù)據(jù)從0xFFFE變?yōu)?x7FFE，在這個(gè)編程過程中，沒有任一個(gè)位從“0”變成“1”。然而，MAXQ系列器件中使用的閃存，不允許對(duì)已經(jīng)編程過的位置再編程，即使沒有發(fā)生從“0”到“1”的變化。這樣的寫操作會(huì)失敗，保持?jǐn)?shù)據(jù)在0xFFFE狀態(tài)。

MAXQ器件編程受限制的理由如下。正在被編程的存儲(chǔ)單元起初是作為代碼空間的，所以必須很謹(jǐn)慎，禁止對(duì)已寫過的位置的任何寫操作。0xFFFF指令指一條無效的源代碼，它不太可能出現(xiàn)在有效的代碼單元內(nèi)。因此，阻止對(duì)已編程過的位置的寫操作能夠幫助保持代碼單元的完整性。

使用MAXQ2000的設(shè)計(jì)方案

在這篇文章中，我們主要討論一個(gè)MAXQ器件：MAXQ2000。這個(gè)微處理器具有64kB的程序存儲(chǔ)空間，具體劃分為128個(gè)單元，每個(gè)單元具有256個(gè)16位的字。下面介紹兩種設(shè)計(jì)方案。第一種方案適用于信息寫一次后在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)不會(huì)再頻繁改動(dòng)，例如校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、版本信息和特征參數(shù)等等。第二種方案針對(duì)更普通的裝置，這種設(shè)計(jì)要允許數(shù)據(jù)頻繁改動(dòng)，例如使用信息或者詳細(xì)記錄等。

方案1

問題：校準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在產(chǎn)品中。產(chǎn)品會(huì)一直需要重新校準(zhǔn)，所以校準(zhǔn)數(shù)據(jù)必須保存在一個(gè)可改寫的存儲(chǔ)空間中。

解決方案：這實(shí)際上是可以想象的到的最簡(jiǎn)單的情況。MAXQ2000程序存儲(chǔ)空間中預(yù)留了兩個(gè)單元用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，一個(gè)是字地址0x7E00，另一個(gè)是0x7F00。當(dāng)MAXQ2000第一次收到保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的命令，它就會(huì)檢查這兩個(gè)單元并確保它們是空的。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被保存到第一個(gè)單元。

當(dāng)MAXQ2000第二次收到保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的命令，它會(huì)再次檢查這兩個(gè)單元。當(dāng)發(fā)現(xiàn)0單元已被使用，它會(huì)把校準(zhǔn)數(shù)據(jù)復(fù)制到1單元，接著擦除0單元。

當(dāng)MAXQ2000收到讀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求(例如在上電時(shí))，它會(huì)讀這兩個(gè)單元，看哪個(gè)正在被使用。沒有被擦除的單元用來配置器件到校準(zhǔn)狀態(tài)。

這種方案的最主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)易性。當(dāng)某些應(yīng)用需要在上電時(shí)作配置時(shí)(或者其它恢復(fù)配置的情況)，這種方法很適用。讀程序會(huì)接收到一個(gè)字指針，并返回這個(gè)地址的內(nèi)容；寫程序會(huì)接收一個(gè)字指針，并嘗試對(duì)這個(gè)地址寫操作。擦除程序會(huì)擦除這兩個(gè)單元。

這種方案的缺點(diǎn)是：子程序極其不智能。無法判斷寫操作是否成功。假如寫操作失敗了，不會(huì)有任何動(dòng)作來解決問題。為什么這種方案只適用于對(duì)已知的空單元寫操作，以上這種限制就是其原因。

方案2

問題：非易失存儲(chǔ)用來跟蹤用電量和其它會(huì)經(jīng)常改變的數(shù)據(jù)。更新的頻率從一周數(shù)次到一天數(shù)次。電表是一個(gè)很好的應(yīng)用舉例。

解決方案：在這種情況下即時(shí)傳統(tǒng)的EEPROM也需要另求幫助。問題在于：頻繁的更新、和可擦除存儲(chǔ)技術(shù)固有的有限電擦除壽命，排除了使用單個(gè)EEPROM頻繁寫擦除操作的可能性。假如這種應(yīng)用需要每小時(shí)更新一次。具有10,000次寫擦除次數(shù)限制的EEPROM只能工作一年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電表應(yīng)用所需的10年壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這個(gè)問題的解決方案是實(shí)現(xiàn)“損耗平衡”。也就是指不對(duì)單一位置重復(fù)寫操作。相反，在整個(gè)存儲(chǔ)陣列中執(zhí)行均勻分布的寫操作。

正是基于此目的，損耗平衡技術(shù)被接受，并在閃存存儲(chǔ)設(shè)備中使用。它的算法非常復(fù)雜難以理解。但對(duì)于我們，介紹簡(jiǎn)單的機(jī)理就足夠了。

在這種設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)陣列中的數(shù)據(jù)條目并不是以地址作參考，而是以數(shù)據(jù)元編號(hào)為參考。數(shù)據(jù)元編號(hào)是一個(gè)和數(shù)據(jù)元素一一對(duì)應(yīng)的任意8位數(shù)值。所以在這個(gè)方案中最大可以有255個(gè)數(shù)據(jù)元(數(shù)據(jù)元0預(yù)留)。每個(gè)數(shù)據(jù)元包含：包括數(shù)據(jù)元編號(hào)和數(shù)據(jù)元長(zhǎng)度的雙字節(jié)報(bào)頭(圖1)；指示1、2、3或者4個(gè)16位字的兩位碼，以保留足夠的剩余空間進(jìn)行錯(cuò)誤管理。


圖1. 數(shù)據(jù)單元報(bào)頭結(jié)構(gòu)

寫數(shù)據(jù)單元時(shí)，寫子程序必須知道要寫的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)要寫的位置。很容易可以知道數(shù)據(jù)寫在哪個(gè)地址；無論是新數(shù)據(jù)單元還是更新已有的數(shù)據(jù)單元，都會(huì)寫在存儲(chǔ)陣列的末尾。寫命令會(huì)搜索陣列的末尾，緊接著在最后一個(gè)記錄后寫入新的數(shù)據(jù)單元。假如在當(dāng)前的存儲(chǔ)頁(yè)面沒有足夠的空間保存特定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)元，就會(huì)出現(xiàn)頁(yè)面結(jié)束標(biāo)志并打開一個(gè)新頁(yè)面。圖2是這種典型的數(shù)據(jù)頁(yè)面的結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面中，先寫數(shù)據(jù)單元1，并更新。接著寫數(shù)據(jù)單元4，但從不更新。隨后是數(shù)據(jù)單元3，共更新7次。最后寫入數(shù)據(jù)單元2，從不更新。

頁(yè)面結(jié)束標(biāo)志的出現(xiàn)表明曾執(zhí)行寫操作，但數(shù)據(jù)單元太長(zhǎng)不能填入當(dāng)前頁(yè)面。會(huì)打開一個(gè)新頁(yè)面以填寫數(shù)據(jù)單元。在整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的末尾會(huì)分配一個(gè)空單元，這里本該是一個(gè)數(shù)據(jù)單元的報(bào)頭。


圖2. 典型的數(shù)據(jù)頁(yè)面

要注意這種方案并沒有涉及重復(fù)記錄的問題。因?yàn)橹貜?fù)記錄不會(huì)有問題。事實(shí)上，讀和寫程序都會(huì)完全忽略重復(fù)記錄。寫操作時(shí)，不管同樣編號(hào)的記錄是否存在，新記錄都會(huì)寫在陣列的末尾。當(dāng)讀操作時(shí)，只有符合請(qǐng)求記錄編號(hào)的最后一個(gè)(所以是最近的)記錄可以讀到。

從陣列中讀取數(shù)據(jù)元會(huì)比寫操作更復(fù)雜。讀功能會(huì)收到數(shù)據(jù)元編號(hào)和數(shù)據(jù)元應(yīng)該寫入的地址。當(dāng)執(zhí)行此命令時(shí)，讀操作會(huì)從陣列的最開始進(jìn)行搜索。當(dāng)它找到一個(gè)記錄符合被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)元，它會(huì)保存這個(gè)地址并繼續(xù)搜索。當(dāng)它找到另外一個(gè)匹配的記錄時(shí)，讀命令會(huì)用新地址替代已保存的地址。當(dāng)搜索到陣列的末尾時(shí)，保存的地址就會(huì)是符合請(qǐng)求記錄的最近寫入的記錄。當(dāng)執(zhí)行讀操作時(shí)，就會(huì)把這個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中。

盡管所介紹的用來從存儲(chǔ)陣列中保存和讀取記錄的主讀機(jī)制是可行的，還會(huì)存在一個(gè)問題：沒有機(jī)制可以重新使用被過時(shí)的記錄占用的空間(也沒有機(jī)制可以刪除記錄。但由于這種方案是針對(duì)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的，所以可能不會(huì)是個(gè)很嚴(yán)重的問題。)。如果不重新恢復(fù)一些空間，這些之前被分配的空間會(huì)很快用盡。由于閃存只能每次擦除一整個(gè)頁(yè)面，恢復(fù)空間意味著擦除整個(gè)頁(yè)面。另外一個(gè)更嚴(yán)重的問題是閃存頁(yè)面不能被隨便擦除，會(huì)存在刪除有用信息的風(fēng)險(xiǎn)。唯一的可選方案是在刪除整個(gè)舊頁(yè)面之前，把有用信息復(fù)制到一個(gè)新頁(yè)面。

從廢舊的記錄中恢復(fù)空間有三個(gè)步驟。第一，打開新頁(yè)面，把每個(gè)數(shù)據(jù)元的最近版本復(fù)制到新頁(yè)面中。第二，擦除舊頁(yè)面。第三，對(duì)新頁(yè)面做頁(yè)面標(biāo)示，是讀命令可以找到新頁(yè)面。

第一個(gè)步驟比較復(fù)雜，需要更詳細(xì)的檢查。完成這個(gè)步驟最簡(jiǎn)單的方法可以分成兩個(gè)子步驟：第一，使用一個(gè)RAM保存記錄編號(hào)和陣列中最近記錄的地址；第二，從RAM陣列逐一復(fù)制最近記錄到新閃存頁(yè)面。這個(gè)過程最快，并且相對(duì)簡(jiǎn)單。

使用這兩個(gè)子步驟存在的問題是MAXQ2000只有1k字的RAM空間。上述方案限制了可以保存到RAM中作緩存的數(shù)據(jù)量。這明顯是不能接受的。

這種難題的解決方案非常耗時(shí)，但不管存儲(chǔ)陣列變得多大(合理范圍內(nèi))都是可行的。為源陣列中的每一項(xiàng)條目單獨(dú)操作，而不是在RAM中建立指針。因此，算法可以簡(jiǎn)化為：

1. 從源陣列讀取一個(gè)數(shù)據(jù)元。
2. 在目標(biāo)陣列中搜索這個(gè)數(shù)據(jù)單元。假如找到了，就說明這個(gè)數(shù)據(jù)單元已經(jīng)寫入。源指針增加并返回步驟1。
3. 在源陣列中搜索這個(gè)數(shù)據(jù)單元最近記錄。
4. 把這個(gè)數(shù)據(jù)單元的最近記錄寫入目標(biāo)陣列中。
5. 源指針增加并返回步驟1。

最后，在目標(biāo)陣列中，每個(gè)數(shù)據(jù)元都有精確的條目對(duì)應(yīng)。填寫后的頁(yè)面如圖3示意。這樣，就可以安全擦除源頁(yè)面，并把頁(yè)面報(bào)頭寫入目標(biāo)陣列。


圖3. 空間恢復(fù)后，圖2中的數(shù)據(jù)頁(yè)面會(huì)如此表現(xiàn)。

這個(gè)過程對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)會(huì)非常安全。然而，當(dāng)使用閃存器件時(shí)還要面對(duì)另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：在寫或者擦除操作中掉電。假如發(fā)生掉電，有可能會(huì)破壞一個(gè)或者多個(gè)頁(yè)面(例如寫操作)或者不能完全擦除頁(yè)面(例如擦除操作)。而我們這種緊湊的操作從本質(zhì)上講是安全的?？梢钥紤]以下的情況：

• 假如在填寫操作時(shí)掉電，源頁(yè)面仍然保持完整。當(dāng)重新上電后，很容易辨別新寫的頁(yè)面(他們沒有頁(yè)面報(bào)頭)并把它擦除，再重新啟動(dòng)填寫操作。
• 假如在正擦除舊頁(yè)面時(shí)掉電，可能會(huì)包含無效的報(bào)頭?？梢圆脸@些頁(yè)面并把報(bào)頭添加到新頁(yè)面。
• 假如在正把頁(yè)面報(bào)頭寫入到新頁(yè)面時(shí)掉電，數(shù)據(jù)仍然是完整的。頁(yè)面報(bào)頭更新操作可以再次重新啟動(dòng)。

簡(jiǎn)言之，這些預(yù)料之外的突發(fā)事件不會(huì)導(dǎo)致陣列數(shù)據(jù)被破壞并不可恢復(fù)。

方案2的改進(jìn)

這里介紹的存儲(chǔ)子系統(tǒng)沒有錯(cuò)誤檢測(cè)的機(jī)制。在數(shù)據(jù)元標(biāo)識(shí)符中有一些位(這里的是6位)沒有被使用?？梢允褂肅RC6算法(x6 + x + 1)根據(jù)數(shù)據(jù)元計(jì)算出CRC以確保沒有發(fā)生讀寫錯(cuò)誤。這雖然不是特別強(qiáng)大的算法(它會(huì)錯(cuò)過多位錯(cuò)誤中的1/64)，它可以檢測(cè)到多數(shù)可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

這個(gè)方法對(duì)系統(tǒng)的另一個(gè)限制是讀取時(shí)間很長(zhǎng)。每次讀操作都需要讀取陣列中的所有記錄，以找到最近的記錄。有3個(gè)方法可以用來縮短讀取時(shí)間：

1. 在數(shù)據(jù)單元中為正向指針留一個(gè)空字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，為正向指針分配一個(gè)新的入口地址。按照這種方式，數(shù)據(jù)表格可以按鏈表的方式移動(dòng)。
2. 向后移動(dòng)表格。這樣就可以在被請(qǐng)求信號(hào)第一次出現(xiàn)時(shí)停止搜索。
3. 假如單元數(shù)量很少，可以在啟動(dòng)時(shí)建立一個(gè)RAM陣列，包含單元ID和指針。后面的讀取會(huì)很快。只需讀RAM陣列以決定從哪兒獲取數(shù)據(jù)單元。

結(jié)論

非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是每位設(shè)計(jì)工程師遲早都必須面對(duì)的問題。使用MAXQ處理器靈活的閃存，就不用再借助于串行存儲(chǔ)保存配置數(shù)據(jù)了。