MAXQ環(huán)境下EEPROM的保護措施

包括eeprom、閃存和旋轉式存儲器在內，所有類型的非易失性存儲器都面臨一個共同的問題：寫周期被中斷時，數(shù)據會丟失。一旦在寫周期執(zhí)行過程中掉電，那么即使再恢復電源，也很難修復損壞的數(shù)據。 本文提出了一種基于事務的提交-回退機制，用于保護一個外部串行eeprom存儲器件的內容。這些措施同樣適用于大多數(shù)maxq微控制器的內置eeprom?？梢韵螺d本應用的代碼文件(zip，20.5kb)。

i2c eeprom的特點
串行存儲器件有多種接口，但最常用的接口是i2c接口。這種總線接口有很多優(yōu)點：高度標準化的接口；控制器和存儲器之間只需兩條線；而且具有靈活的時序要求，可以由軟件驅動。一個i2c主機可以驅動很多i2c從機，從而最大程度減少了主機的引腳數(shù)。
在所有eeprom器件中，寫周期都要比讀周期長的多。因為在寫周期過程中，電荷需要借助隧道效應并通過絕緣層進行轉移，而這個過程很費時間。雖然增加電壓可以加快這個過程，但是過高的電壓會導致絕緣層的介質擊穿，從而損壞器件。典型的eeprom器件寫周期持續(xù)10毫秒左右；而讀周期通常需要幾百個納秒。

為了顯著縮短寫周期的時間，許多i2c eeprom器件采用頁面模式。該模式允許將多個字節(jié)傳送到緩存中，然后將數(shù)據一次性寫入存儲區(qū)。i2c存儲器件的典型頁面尺寸為32字節(jié)。因此，可以在一個寫周期內向eeprom填入32個字節(jié)。

這一點非常重要，因為串行eeprom器件都具有特定的耐久度：即每個頁面所能承受的寫周期次數(shù)上限。典型的寫周期次數(shù)從10,000到1,000,000次。然而，即使存儲器件能夠承受1百萬次寫周期，軟件也會很快將其損耗殆盡。軟件每秒僅執(zhí)行100次寫周期，那么不到3個小時就會耗盡器件的寫周期次數(shù)。

考慮到這些基本的eeprom特性，設計者為一個嵌入式處理器設計可靠的非易失存儲系統(tǒng)時，需切記以下幾點：

不要在同一頁面上反復執(zhí)行寫操作。尤其是不要將某個頁面設置成寫入任何其它頁面時都要更新的“目錄”。
如果在寫周期過程中電源被中斷，必須提供以下機制：(1) 檢測被中斷的寫操作；(2) 完成被中斷的操作；(3) 或者將事件回退至寫操作之前的狀態(tài)。
必須通過某些數(shù)據校驗機制(校驗和、crc或消息摘要)來保證數(shù)據的完整性。

設計目標
雖然上面提到的eeprom問題可通過多種非易失文件系統(tǒng)加以解決，但這樣的文件機制對于小型嵌入式微控制器來說負擔過重。很多文件系統(tǒng)需要更多的ram，遠遠超出了小型微控制器所能提供的容量，而且對于多數(shù)應用，也不需要一個完整的文件系統(tǒng)。
考慮到這一點，下面列出了eeprom數(shù)據保護機制的設計目標：

精簡：保護機制用于存儲校驗數(shù)據的空間不應超過eeprom的10％，它應該只需要少量的計算開銷。
塊大?。罕槐Ｗo的塊大小，應該和eeprom的寫操作頁面大小一樣。由于eeprom器件的頁面大小通常是2的偶數(shù)次冪，因此與每個塊保留1或2個字節(jié)的做法相比，相同的尺寸大小更便于軟件編碼。
耐久性：每個保護周期不要對同一頁面進行寫操作。
可靠性：每次掉電情況下，數(shù)據都應是可恢復的。
這里提到的保護機制有6個接口函數(shù)：讀、寫、提交、回退、檢查和清理。

讀函數(shù)接收一個塊編號和一個指向32字節(jié)緩存的指針。如果緩存地址和塊編號處于有效范圍內，程序就會將指定的塊數(shù)據讀入緩存，并校驗數(shù)據的有效性。它會返回如下狀態(tài)：有效讀(valid read)、無效讀(invalid read)、無效緩存地址(invalid buffer address)、無效頁面編號(invalid page number)或保護失敗(protection failure)。

寫函數(shù)接收一個塊編號和一個指向填好數(shù)據的32字節(jié)緩存的指針。如果緩存地址和塊編號處于有效范圍內，程序就會將數(shù)據寫入非易失性緩存，并標記緩存狀態(tài)以準備提交。

提交和回退函數(shù)，是可以在寫操作之后執(zhí)行的互補型操作。提交函數(shù)將最近被寫入的緩存數(shù)據復制到對應的存儲區(qū)最終位置，并為下一個待寫入的數(shù)據塊準備好緩存結構?；赝撕瘮?shù)實際上就是一個“取消”操作。它消除最近一次寫操作產生的效果，并為下一個寫操作準備好緩存子系統(tǒng)。 檢查函數(shù)讀取存儲器件的每個數(shù)據塊，并檢查存儲數(shù)據的有效性。該函數(shù)還檢查緩存子系統(tǒng)，以確保沒有未執(zhí)行的寫操作。任何無效塊或未執(zhí)行的寫操作都會使檢查函數(shù)返回一個錯誤狀態(tài)。

清理函數(shù)修復一個數(shù)據損壞的eeprom。實際上，它將試圖找出發(fā)生的錯誤，并采取相應的解決措施。

關于這些函數(shù)的更多細節(jié)，參見下面的操作詳解。

操作詳解

對于一個不帶保護功能的eeprom，具體操作非常簡單。一個讀周期簡單地將字節(jié)從所選擇的地址傳送給主機；一個寫周期將字節(jié)從主機寫入eeprom，并等待操作完成(大多數(shù)器件需要幾個毫秒的時間)。然而，在一個提供保護的eeprom環(huán)境下，讀和寫操作就比較復雜了。在以下各節(jié)中，對每個操作進行了分解，以便了解函數(shù)被調用時到底是如何操作的。
讀操作

檢查頁面地址和緩存地址，以檢驗它們的有效性。如果地址無效，則就此結束操作，函數(shù)返回一個無效緩存地址或無效頁面編號錯誤代碼。
將所選頁面讀入緩存。

計算校驗頁面的地址，并將相應的校驗頁面讀入暫存區(qū)。

計算校驗頁面的crc。如果校驗頁面的數(shù)據無效，則返回一個保護失敗錯誤代碼。

計算數(shù)據緩存的crc，并將其與暫存區(qū)中對應讀取頁面的crc進行比較。如果crc匹配，則程序返回有效讀代碼；如果crc不匹配，則程序返回無效讀代碼。無論結果怎樣，實際讀取的數(shù)據都保存在返回緩存中，以供調用讀操作的程序使用。
寫操作

檢查頁面地址和緩存地址，以檢驗其有效性。如果地址無效，操作在這里結束，函數(shù)返回一個無效緩存地址或無效頁面編號錯誤代碼。
讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。如果任何緩存處于占用狀態(tài)，則操作失敗并返回寫過程(write sequence)錯誤代碼。

4個寫緩存之一應處于終止狀態(tài)。如果是這樣，激活下一個緩存。
數(shù)據被復制到寫緩存的數(shù)據域。

頁面地址被寫入地址域。計算crc校驗結果并將其寫入crc域。將狀態(tài)改為占用。將前一個緩存置為可用狀態(tài)(即更新原來的終止狀態(tài))。

需要注意，此時對新寫的頁面進行讀操作，將返回頁面原來的數(shù)值。只有等提交操作完成后，才會返回新值。

提交操作

讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。應該只有1個緩存標記為占用狀態(tài)。否則，函數(shù)在此結束，并返回一個寫過程錯誤代碼。

對被占用的緩存進行crc校驗。如果不匹配，則返回一個數(shù)據損壞錯誤代碼。
提取頁面地址，并將數(shù)據寫入主存儲區(qū)的指定頁面。

計算緩存的數(shù)據部分的crc。該值被保存在一個臨時寄存器中。

找到對應所選主存儲區(qū)頁面的校驗頁面，并讀取該校驗頁面的內容。

用前面計算的crc更新校驗頁面，為校驗頁面計算新的crc。

將校驗頁面數(shù)據重新寫回校驗存儲區(qū)。

將寫緩存更新為終止狀態(tài)。

回退操作

讀取每個寫緩存的狀態(tài)域。應該只有一個緩存被標記為占用。否則，函數(shù)在此結束，并返回一個寫過程錯誤代碼。
將所選的寫緩存狀態(tài)域置為終止。
檢查操作

讀取每個寫緩存。確認只有一個緩存不是可用狀態(tài)。如果只有一個緩存含有未定義的狀態(tài)代碼，則返回一個寫操作中斷(interrupted write)錯誤代碼。如果所有緩存均包含未定義的狀態(tài)代碼，則返回eeprom未初始化(uninitialized eeprom)錯誤代碼。

如果僅有一個緩存包含占用狀態(tài)代碼，計算此緩存的crc。如果crc不匹配，則返回一個寫操作中斷錯誤代碼。

檢查校驗存儲區(qū)的每一個頁面。如果任何頁面沒有通過crc校驗，則返回保護失敗錯誤代碼。

最后，檢查主存儲區(qū)的每一頁，并與存儲的各頁crc進行對比。如果有1頁未通過crc校驗，則返回一個提交中斷(interrupted commit)錯誤代碼。
清理操作

圖7演示了清理操作是如何工作的：

如果檢查操作返回一個eeprom未初始化的錯誤代碼，則初始化eeprom。清除所有數(shù)據頁面，并且初始化所有校驗頁面。除最后一個寫緩存被初始化為終止狀態(tài)外，清除其它所有寫緩存并置為可用狀態(tài)。

如果檢查操作返回一個寫操作中斷錯誤代碼，則找到那個不是可用狀態(tài)的寫緩存。將它的狀態(tài)改為終止狀態(tài)。

如果檢查操作返回一個提交中斷錯誤代碼，則找到crc不匹配的主頁面。計算出它的crc并更新相關校驗頁面。

如果檢查操作返回保護失敗錯誤代碼，則表示緊隨提交操作的更新校驗頁面操作被中斷。讀出所有與錯誤校驗頁面相關的主存儲區(qū)頁面，并刷新校驗頁面。

安全性證明

要證明系統(tǒng)的安全性，需要確定寫操作過程中數(shù)據容易損壞的時刻。(讀操作從本質上來說是安全的。讀操作期間不會對eeprom頁面進行寫操作，因此數(shù)據不會被損壞。) 確定了這些易損時刻后，只需要再確定一個恢復過程。如果恢復機制涵蓋了所有可能的數(shù)據損失情況，而且如果我們假定在任何一個可能破壞eeprom寫周期的事件之后，都將首先執(zhí)行校驗/清理周期(例如上電)，那么系統(tǒng)就是安全的。

在大多數(shù)串行eeprom器件中，一個寫操作首先將頁面的每位數(shù)據都置為已知值，然后將所有需要改變的位設置為需要的值。因此在掉電時，中斷的寫操作極有可能破壞該頁的所有字節(jié)。通?？梢酝ㄟ^向損壞頁面寫入新數(shù)據，進而從這一失效事件中恢復出來。但這會失去原來的數(shù)據。

寫操作過程中數(shù)據容易損壞的時刻如下所述(按發(fā)生的時間順序排列)：

對數(shù)據域進行寫操作：如果此時發(fā)生電源失效事件，檢查操作不會檢測到錯誤。正在被寫入的寫緩存仍顯示可用狀態(tài)，但可用的緩存不包含有效的crc值。
向當前寫緩存寫入狀態(tài)信息：這個操作將狀態(tài)域改為占用狀態(tài)，設定crc并為寫操作填入頁面地址。如果這個過程被中斷，可能發(fā)生如下情況：(1) 狀態(tài)無效，從而導致一個寫操作中斷錯誤；(2) 狀態(tài)有效，但crc錯誤，仍會導致一個寫操作中斷錯誤；(3) 狀態(tài)和crc域有效。在最后這種情形下，系統(tǒng)有未提交處理的寫操作?？梢詸z測到這一狀態(tài)，因為此時一個緩存將處于占用狀態(tài)而另一個緩存為終止狀態(tài)。如果子系統(tǒng)的其它部分檢查通過，則用戶代碼可通過發(fā)出提交或回退操作繼續(xù)執(zhí)行。無論發(fā)生何種情況，主存儲區(qū)和校驗存儲區(qū)都是安全的。

前一個緩存狀態(tài)清除為可用狀態(tài)：緩存可能有損壞的狀態(tài)或crc，而下一個緩存為占用狀態(tài)。這意味著清除該緩存的狀態(tài)時操作被中斷，這種情況下可以執(zhí)行提交或回退操作。

在寫操作和提交操作之間：只有一個寫緩存將處于占用狀態(tài)，并且通過了crc校驗。用戶代碼可以請求提交或回退操作。寫緩存、校驗存儲區(qū)和主存儲區(qū)都是安全的。

提交操作過程中數(shù)據容易損壞的時刻如下所述：

將數(shù)據域復制到主存儲區(qū)：如果寫操作被中斷，主存儲區(qū)的1個頁面數(shù)據可能被破壞。檢查函數(shù)會檢測到兩種狀態(tài)：(1) 一個有效的占用寫緩存；(2) 中斷的提交操作導致主存儲區(qū)頁面數(shù)據損壞。寫緩存和校驗存儲區(qū)是安全的。在這種情況下，清理操作會完成提交操作并返回一個干凈的系統(tǒng)。注意：即使寫操作已經完成，檢查操作仍會因為校驗存儲區(qū)的crc與計算出的crc不匹配而報錯。

更新校驗存儲區(qū)的crc：如果對校驗頁面的寫操作被中斷，則整個頁面的數(shù)據都可能被破壞。這意味著主存儲區(qū)的15個頁面都對應著無效的crc。但是由于校驗存儲區(qū)的每一頁都有自己的校驗和，而且在寫操作中斷后會產生校驗和錯誤，因此檢查程序會發(fā)現(xiàn)這一點。在這種情況下，檢查程序會返回保護失敗。修復方法如下：首先重新計算所有受影響的15個頁面的crc值。然后將這些值和該頁自身的有效crc值一起寫入校驗頁面。

更新寫緩存的狀態(tài)信息：如果當狀態(tài)變量從占用狀態(tài)變?yōu)榻K止狀態(tài)時，寫周期被中斷，那么整個寫緩存頁面的數(shù)據都可能被損壞。但是，校驗存儲區(qū)和主存儲區(qū)都是安全的。檢查操作會找到數(shù)據損壞的頁面，并返回寫操作中斷錯誤代碼。當運行清理程序時，它將復位寫緩存子系統(tǒng)，并完成提交操作。
最后，在回退操作中數(shù)據容易損壞的時刻為：

更新寫緩存的狀態(tài)：與提交周期的最終狀態(tài)類似，該操作只是簡單地將寫緩存的占用狀態(tài)復位至終止狀態(tài)。如果它被中斷，則檢查程序會返回寫操作中斷，并且清理程序會重新初始化所有的寫緩存區(qū)域。校驗存儲區(qū)和主存儲區(qū)仍是安全的。

可以看出，無論電源何時掉電或處理器何時被復位，存儲子系統(tǒng)都可保持數(shù)據的完整性。發(fā)生電源失效事件后，存儲子系統(tǒng)會返回到可進行讀或寫的狀態(tài)。如果一個提交操作被中斷，子系統(tǒng)會返回到可執(zhí)行提交或回退操作的狀態(tài)。

設計起步

maxq微控制器的eeprom存儲系統(tǒng)功能完備。系統(tǒng)設計者可以根據需要來增強該系統(tǒng)的功能。但需要注意以下幾點：

c封裝程序：在多數(shù)c語言標準中，與匯編語言子程序雙向傳送數(shù)據時都有一套標準的方法。例如在iar開發(fā)環(huán)境下，參數(shù)在低編號的累加器中傳入和傳出。由于參數(shù)已經傳入a[0]和a[1]，為這些程序建立一個c封裝器，就像寫函數(shù)原型一樣容易。在其它c環(huán)境下，參數(shù)傳遞是通過數(shù)據棧進行的，需要一個簡單的封裝子程序。

并發(fā)處理：首先要保證寫周期的完整性，并且提供一套能夠保證完整性的機制，對于整個平臺的成敗至關重要。但很多應用都需要這樣一種機制，即可以讓一系列寫周期排隊并一次執(zhí)行完畢，從而保證全都執(zhí)行或全都不執(zhí)行。但本文討論的機制不能工作在這種方式下。如果一個系統(tǒng)存有跨越多個頁面的信息記錄，則可以中斷一個寫操作，這使得恢復之后的記錄涵蓋了包含部分新數(shù)據的頁面和包含部分舊數(shù)據的頁面。有一種方法可避免該問題，即在執(zhí)行提交操作之前允許多重寫操作。這種方法并不像聽上去那么簡單，因為一個部分提交的事務，可能同時包括新紀錄片斷、舊記錄片斷和損壞的頁面。

平均讀寫機制：平均讀寫作為閃存文件系統(tǒng)的一個特點，是指虛擬化頁面地址，使得被頻繁寫入的頁面會出現(xiàn)在存儲器的任何物理位置。但是很難找到實現(xiàn)這一目標的最佳方法。這是因為，最直接的解決方法(活動存儲塊的目錄處于固定的位置，并且每次寫操作后都要對它進行更新)會導致存儲目錄的頁面迅速損耗。所以，就像處理數(shù)據頁面那樣，還必須虛擬化和離散化目錄本身。
其它頁面尺寸：這里給出的系統(tǒng)假定采用一個16kb、每頁32字節(jié)的存儲器件。如果所選擇的器件具有更大的頁面尺寸(64字節(jié)或128字節(jié))，這些函數(shù)仍可工作，只是會伴隨一些額外的寫入損耗。(更新128字節(jié)頁面中的32字節(jié)區(qū)段時，會對整個128字節(jié)頁面執(zhí)行寫操作)。但這些函數(shù)無法對具有更小頁面尺寸的器件進行操作?？梢詷嫿ㄒ粋€能夠在線確定eeprom器件特性的系統(tǒng)，并可根據實際特性配置系統(tǒng)的參數(shù)。

增強的安全性：本系統(tǒng)對以下類型的錯誤提供保護：由于電源失效或不可預期的系統(tǒng)復位而造成的eeprom操作中斷。但eeprom器件偶爾也會因為其它原因出錯。例如，由于電路噪聲或致電離輻射導致的軟件錯誤?；蛘哂捎谝粋€或多個存儲單元損耗而導致硬件錯誤。

一種解決方法是計算并維護校正子(syndrome)，而不是采用簡單的crc校驗字。校正子和校驗字類似，但是包含了足夠的信息以修復簡單的位錯誤。最簡單的校正子系統(tǒng)可以用log2n + 1個校驗位來檢驗n個數(shù)據位。因此，對于一個32字節(jié)(256位)的頁面來說，一個僅包含9位的校正子就可以修正任何1位錯誤。對數(shù)據完整性的要求更加嚴格時，可以采用更加復雜的系統(tǒng)來解決類似問題。

結語

外部串行eeprom為微控制器環(huán)境下存儲非易失數(shù)據提供了一種可靠的方法。利用本文提到的技術，即使面臨寫操作中斷的情況，串行eeprom依然能夠可靠地工作。在任何對數(shù)據完整性要求較高的應用中，設計者都可以考慮這些技術。