實例分析MCU的Data Flash訪問控制

　　筆者在家用火災報警系統項目的開發過程中，在進行主從機通訊和從機自身任務處理時，需要經常與從機MCU進行運行數據的存取。過去傳統的方法是在MCU上外掛EEPROM或將MCU內部的部分存儲單元專門劃分出來，以存取運行數據。這兩種方法的不利之處是：外掛EEPROM需要增加MCU與EEPROM的讀寫接口，增加了MCU的管腳負擔，減慢了數據的讀寫速度的同時還增加了功耗；專門為運行數據劃分存儲單元則減少了程序代碼的存儲空間，同時存儲空間的讀寫、擦除等操作會比較麻煩，另外還要非常小心，以防擦掉了有用的程序代碼。

　　瑞薩RL78系列MCU內嵌2KB的DATA FLASH，省去了用戶單獨外擴數據FLASH的麻煩。RL78系列MCU還支持BGO操作，程序指令在DATA FLASH讀寫時仍可正常執行。其對DATA FLASH存儲單元的寫操作壽命高達1百萬次以上，非常適合于需要頻繁存取數據的應用場合。

　　與有些半導體廠商的控制芯片不同，瑞薩并沒有直接將DATA FLASH的讀寫操作完全開放給用戶，而是提供了一套叫做PFDL（Pico Data Flash Library，即微型數據閃存訪問庫）的軟件接口，來實現對閃存系統的操作。用戶使用時只需要調用相應的庫函數即可進行DATA FLASH的讀寫、校驗、擦除等操作，而不必關心底層驅動函數的具體實現方式。這在很大程度上方便了用戶程序的設計，縮短了開發周期。

　　1）DATA FLASH結構和PFDL

　　RL78的存儲結如圖1所示。其中Data Flash memory物理地址為F1000H-F17FFH，被分成了兩個BLOCK區，每個BLOCK區1KB，共2KB。

　　圖1：瑞薩RL78系列MCU的存儲結構

　　PFDL由表1所示的庫文件組成。

　　表1：PFDL庫文件

　　2）Data Flash的存儲結構和使用方法

　　首先有必要將RL78系列MCU關于DATA FLASH操作的幾個問題進行說明。RL78系列DATA FLASH的擦除操作只能以BLOCK為單位，不支持單字或單字節擦除。所以當有一項長度為若干字節的數據要寫入DATA FLASH時，不可能將數據每次都寫入固定的物理地址所對應的存儲單元中，而是必須在新的空存儲單元中寫入。這就意味著用戶在設計DATA FLASH的存儲結構時，必須有尋址功能。

　　RL78系列DATA FLASH同一時刻只能有1個BLOCK處于激活狀態，是有效的，此時另一個BLOCK不可訪問，是無效的。習慣上，我們常將DATA FLASH的一個BLOCK稱為一頁，當一個有效頁被寫滿數據時，要想繼續寫入數據的話，則只能在下一頁中寫入，同時還需要將前一頁中有用的其他數據項拷貝到下一頁中，并將下一頁標記為當前的有效頁，將上一頁標記為無效頁，即必須有DATA FLASH的頁標記和導頁機制。

　　為此，筆者將整個DATA FLASH分成兩頁（每個BLOCK自然形成一頁，兩頁交替使用），每頁的起始地址作為頁標記單元，見表2。每次進行DATA FLASH操作前應先讀取該標記單元來確認當前有效頁。

表2：頁標記

　　如前所述，各種數據項同時在DATA FLASH中存在時，其存儲地址是不固定的，如不加以區分，將不能識別數據，所以為實現DATA FLASH的尋址功能，我們引入數據項索引的概念。在每頁DATA FLASH中，將存儲單元一分為二，上半部分用于存放數據項索引，數據項索引用于在DATA FLASH中區別各種不同的數據項，并指示其代表的數據項在DATA FLASH中存儲的相對地址。下半部分用于存放各種數據項。

　　為進一步描述的方便，我們不妨舉例說明，假設用戶有A、B、C、D四種數據項需要在DATA FLASH中存取，每種數據項的數據長度分別為1、2、3、4字節，其定義如表3所示。

　　表3：數據項定義

　　一個典型的DATA FLASH存儲結構的例子如圖2所示。頁標記占用每頁的相對起始地址單元。相對地址0x0001~0x01FF定義為數據項索引區，每個數據項索引包含3個字節，分別是數據項索引、索引數據地址低字節、索引數據地址高字節。相對地址0x0200~0x03FF定義為數據項存儲區。

　　向DATA FLASH寫入數據時，先找到當前有效頁，然后在當前頁中查找是否有可供寫入數據的數據存儲空間和索引空間。查找時可采取自上而下的查找順序，先分別從每頁數據項索引區和數據項存儲區的相對起始地址開始查找空白單元，若有滿足該數據項存儲要求的連續空白存儲單元，則調用寫FLASH庫函數將數據項索引和數據項寫入該存儲空間。

　　圖2：DATA FLASH存儲結構

　　從DATA FLASH讀取數據時，先找到當前有效頁，然后在當前頁中查找所要讀取的數據位于何處，即尋址。查找時應采取自下而上的查找順序（可確保每次查找到的是該種數據項的最新數據），從每頁數據項索引區的相對結束地址開始查找數據項索引，若索引匹配則表明數據項找到，若未找到匹配索引則表明要讀取的數據項未找到（未寫入DATA FLASH），可設計函數返回不同值來表示是否找到數據項。當索引匹配時，讀出存儲在索引數據地址單元中的數據項地址，調用讀FLASH庫函數讀出數據項即可。

　　3）總結

　　使用上述DATA FLASH存儲結構和存取規則，實現了數據存儲的可尋址和頁交替，比較充分的利用數據存儲空間。另外，數據項索引區和數據項存儲區的劃分并不一定要各占一半存儲空間，而應根據實際的各種數據項長度來選擇優化，當每種數據項字節數較多時，可適當增加數據項存儲區的空間，避免存儲空間浪費。為了使數據存儲更加可靠，可使用數據的三備份存儲機制：實際存儲的每個數據項，均按順序地址依次進行三備份存儲，讀取時必須有兩個備份相同才能確認數據有效。