程序執行時(shí)寫(xiě)閃存的應用實(shí)例
閃存(flash)是一種可在線(xiàn)進(jìn)行電擦寫(xiě)，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低操作電壓、低功耗、大容量、擦寫(xiě)速度快等特點(diǎn)。在嵌入式系統中廣泛使用閃存來(lái)保存程序。在實(shí)際應用中為了節省整個(gè)嵌入式系統的成本和系統復雜程度，整個(gè)系統僅設計成具有一塊閃存，CPU執行的程序被保存在閃存中，設備產(chǎn)生的重要數據也保存在該閃存中，且這些數據必須在設備運行過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行更新保存。因此要求系統在程序執行時(shí)必須完成向閃存中保存數據信息的功能，也就是CPU從閃存中取指執行程序時(shí)，同時(shí)向閃存中寫(xiě)入數據。絕大多數閃存芯片是不支持同時(shí)對芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作的。本文通過(guò)一個(gè)完整的應用實(shí)例，詳細介紹了在應用程序執行過(guò)程中寫(xiě)SST32HF162的方法，并提供了相應的C語(yǔ)言源程序代碼，同時(shí)對C語(yǔ)言代碼的可行性進(jìn)行了詳細的分析。
SST32HF162存儲器特點(diǎn)
SST32HF162是來(lái)自SST公司的Combo存儲器，其結構為1M×16閃存＋128K×16 SRAM。它的主要特點(diǎn)如下：2.7~3V單電源供電；讀寫(xiě)SRAM時(shí)可同時(shí)對閃存進(jìn)行讀寫(xiě)操作；支持JEDEC單電源閃存存儲器標準；向其命令寄存器寫(xiě)入相應的指令即可完成閃存的擦除、寫(xiě)操作；通過(guò)查詢(xún)特定的數據位可監控擦除或寫(xiě)操作是否完成?？蓪θ我簧葏^、塊進(jìn)行讀、寫(xiě)或擦除操作，而不影響其它部分的數據；扇區大小為2K字；支持字節編程方式。
向閃存的特定寄存器連續寫(xiě)入3個(gè)特定的字節可開(kāi)始一個(gè)寫(xiě)循環(huán)，而后寫(xiě)入地址以及相應的數據就可對閃存進(jìn)行編程操作。在寫(xiě)閃存期間僅有讀檢測位有效，其他命令都將被忽略。由于編程指令不能使閃存中的邏輯“0”改寫(xiě)為“1”，因此在編程閃存時(shí)必須先進(jìn)行擦除操作。閃存編程命令見(jiàn)表1。
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表1：閃存編程命令表。
系統環(huán)境描述
本例采用的MCU采用ARM內核。ARM體系使用單一的平板地址空間，該地址空間的大小為232個(gè)8位字節。這些字節單元的地址是一個(gè)無(wú)符號的32位整數值，其取值范圍為0到232－1。ARM體系支持32位或16位的數據總線(xiàn)，本文介紹的系統使用16位的數據總線(xiàn)，因此ARM的地址空間可以看作是231個(gè)16位的半字單元。
源程序代碼要求系統環(huán)境中有SRAM，SRAM的大小至少能容納寫(xiě)一個(gè)字到閃存中的程序代碼。對于SRAM以及閃存的實(shí)際地址分配沒(méi)有特別要求。
寫(xiě)閃存過(guò)程
1．搬移閃存中的程序到SRAM中
系統中僅設計有一塊閃存，且同塊閃存在寫(xiě)入時(shí)讀出的數據無(wú)效，因此在閃存寫(xiě)入期間MCU不能再從閃存中取指執行程序。因在讀寫(xiě)SRAM時(shí)可以進(jìn)行閃存的寫(xiě)入操作，所以我們可以將寫(xiě)閃存時(shí)MCU將執行的代碼全部搬移到SRAM中，強制程序在SRAM中執行。通過(guò)執行SRAM中的程序完成對閃存的擦除以及寫(xiě)入的工作。
2．閃存寫(xiě)入以扇區為單位
在進(jìn)行閃存寫(xiě)入時(shí)，首先必須進(jìn)行擦除，而后再編程閃存。閃存擦除時(shí)以扇區為單位，在本應用中每個(gè)扇區為2K字。當每次寫(xiě)入數據少于一個(gè)扇區的大小時(shí)，原來(lái)保存在該扇區中的信息將被擦除。因此在進(jìn)行寫(xiě)閃存時(shí)必須先讀出原來(lái)在該區中保存的信息，而后與準備寫(xiě)入的信息共同組成一個(gè)扇區內容，再開(kāi)始寫(xiě)閃存的操作。
程序實(shí)現流程見(jiàn)圖1和圖2。
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圖1：寫(xiě)閃存流程。
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圖2：寫(xiě)扇區流程
源程序技術(shù)難點(diǎn)分析
以上兩個(gè)C語(yǔ)言函數在編譯完成后將作為程序代碼的一部分，它將和其他程序代碼一樣保存在閃存中。為此將產(chǎn)生的問(wèn)題1：WriteWord函數是怎樣被搬移到SRAM中的？問(wèn)題2：WriteWord函數代碼被搬移到SRAM中后因此時(shí)函數保存起始地址發(fā)生變更，函數還能正確運行嗎？
對于第一個(gè)問(wèn)題的解決，在程序中定義了proginram這個(gè)全局靜態(tài)數組，該數組在A(yíng)RM編譯器進(jìn)行編譯時(shí)將被標記為zidata段映象，這種映象將在程序運行時(shí)自動(dòng)在RAM空間分配相應的內存區域。因此當將WriteWord函數起始地址的信息保存到proginram數組中時(shí)，就完成了代碼從閃存中搬移到SRAM中的操作。
對于問(wèn)題2，整個(gè)程序指令都是由順序指令以及分支指令組成的。順序指令指程序執行完當前指令后將執行緊接著(zhù)它的下一條指令。分支指令指程序執行完當前指令后將執行該指令之前或之后某個(gè)偏移處的指令。在程序執行時(shí)，CPU將使用PC指針來(lái)標記當前運行的程序地址。
1．指令執行
對于順序指令，PC指針總是自動(dòng)完成指向下一條執行指令的增1操作，只要PC的首地址正確，程序將正確的執行直到代碼結束。
2．分支指令
對于分支指令，在程序執行過(guò)程中確定正確的目標跳轉地址將是程序能否正確運行的關(guān)鍵。在A(yíng)RM體系中，跳轉指令有：B/跳轉指令；BL/帶返回的跳轉指令；BLX/帶返回和狀態(tài)切換的跳轉指令；BX/帶狀態(tài)切換的跳轉指令?，F在以B(跳轉指令)為例進(jìn)行說(shuō)明跳轉指令的執行情況。
每條B指令由表2中的4字節內容組成，其中跳轉目標地址的計算方法是：將指令中的Signed_immed_24這24位帶符號數的補碼擴展為32位(擴展其符號位)；將此32位數左移兩位；將得到的數加到PC寄存器中，得到跳轉的目標地址。因此有如下結論：跳轉指令的執行是以當前PC指針值為基準的，在閃存保存的程序僅保存了跳轉的偏移量。
WriteWord函數編譯后生成的偽指令如圖3中灰色字體。
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圖3：WriteWord函數編譯
后生成的偽代碼。
從函數產(chǎn)生的偽代碼可以看出，對于WriteWord函數，在編譯后形成的指令由一些數據操作指令以及跳轉指令B組成，而對于數據操作指令都是順序執行的。而跳轉指令B的執行情況前面已經(jīng)進(jìn)行了相應的分析，因此函數WriteWord從閃存中移入SRAM中后依舊可以正確運行。
設計要點(diǎn)小結
1． 在應用程序中寫(xiě)閃存時(shí)必須先將相應的寫(xiě)程序搬移到SRAM中，通過(guò)執行SRAM中的程序完成寫(xiě)閃存功能。不能既執行閃存中的程序又寫(xiě)該片閃存。
2． 在寫(xiě)閃存時(shí)必須保證不破壞原來(lái)的數據，同時(shí)必須禁止系統的中斷以防止執行存儲在閃存中的中斷響應程序。
3． 因為程序是靜態(tài)編址的，即程序在編譯鏈接時(shí)就已經(jīng)確定了指令執行期間的跳轉目標地址，因此必須確定原存儲在閃存中的程序搬移到SRAM中后，該代碼段在新的起始地址是否能正確執行。
作者：肖德勇
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