目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。在一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中，往往要求系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩舯４嬉恍?a target="_blank">參數(shù)或數(shù)值。這些數(shù)據(jù)被要求在系統(tǒng)斷電后不會(huì)“消 失”，并在下一次開(kāi)機(jī)后能夠被讀取和修改。

高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴以生存的必要條件。隨著單片機(jī)內(nèi)部集成功能的不斷增加，使用片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的做法逐漸被含有片內(nèi)可擦寫(xiě)存儲(chǔ)單元的單片機(jī)所 取代。早期用戶可將需要保存的數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)Flash內(nèi)，但這種做法對(duì)Flash內(nèi)程序代碼乃至整個(gè)系統(tǒng)存在安全隱隱患，在片內(nèi)集成獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)成了單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。例如Atmel 公司在AVR 系列單片機(jī)產(chǎn)品中，就融入了先進(jìn)的E2PROM 電可擦除技術(shù)，使該公司的單片機(jī)具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯 的優(yōu)勢(shì)。EEPROM （Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片。EEPROM可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。但不管是將數(shù)據(jù)保存在Flash內(nèi)還是保存在E2PROM內(nèi)，都存在一個(gè)存儲(chǔ)單元可擦寫(xiě)次數(shù)的上限。通常芯片廠家標(biāo)明的是1 000 000次以上；而對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，有部分保存在E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中是需要被頻繁擦寫(xiě)的。當(dāng)存放這些數(shù)據(jù)的片內(nèi)存儲(chǔ)單元達(dá)到擦寫(xiě)次數(shù)上限時(shí)，這個(gè)存儲(chǔ)單元就不能再使用了，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

EEPROM是可用戶更改的只讀存儲(chǔ)器（ROM），其可通過(guò)高于普通電壓的作用來(lái)擦除和重編程（重寫(xiě)）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候是可頻繁地重編程的， EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來(lái)擦寫(xiě)和重編程。EEPROM常用在接口卡中，用來(lái)存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)，也常用在防止軟件非法拷貝的"硬件鎖"上面。

另外，單片機(jī)內(nèi)部的E2PROM空間相對(duì)于有待保存的數(shù)據(jù)量來(lái)說(shuō)是有很大富余的。也就是說(shuō)，當(dāng)單片機(jī)由于內(nèi)部 E2PROM擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)極限而不能正常工作時(shí)，片內(nèi)仍然有較多的E2PROM空間沒(méi)有被利用過(guò)，因而產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部資源的極大浪費(fèi)。

本文以AVR系列單片機(jī)中的ATmega8（ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機(jī)，是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，它承襲了AT90所具有的特點(diǎn)，并在AT90的基礎(chǔ)上，增加了更多的接口功能，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善）為例，從程序設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出一種切實(shí)可行的E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略，最大限度地提高片內(nèi)E2PROM空間的利用率，從而解決上面提到的問(wèn)題。

1、基本原理

由EPROM操作的不便，后來(lái)出的主板上BIOS ROM芯片大部分都采用EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）。EEPROM的擦除不需要借助于其它設(shè)備，它是以電子信號(hào)來(lái)修改其內(nèi)容的 ，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫(xiě)入，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛。EPROM在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，仍要利用一定的編程電壓，此時(shí)，只需用廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫(xiě)內(nèi) 容，所以，它屬于雙電壓芯片。借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級(jí)時(shí)，把 跳線開(kāi)關(guān)打至“ON”的位置，即給芯片加上相應(yīng)的編程電壓，就可以方便地升級(jí)；平時(shí)使用時(shí)，則把跳線開(kāi)關(guān)打至“OFF”的位置，防止CIH類的病毒對(duì)BIOS芯片的非法修改。所以，至今仍有不少主板采用EEPROM作為BIOS芯片并作為自己主板的一大特色。

2、E2PROM數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的基本要求

一般，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式設(shè)定為靜態(tài)，即為固定的地址指定惟一的變量，任何時(shí)候讀取和改寫(xiě)此地址內(nèi)數(shù)據(jù)的操作均視為對(duì)該變量的讀取和改寫(xiě)。然而這樣的存儲(chǔ)方式若被用于E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)E2PROM 的某一單元因過(guò)量擦寫(xiě)而失效后，這個(gè)固定地址內(nèi)所存放的變量就失去了有效的對(duì)應(yīng)物理空間，這是在做E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)不愿意看到的。

解決上述問(wèn)題的有效方法是對(duì)E2PROM 數(shù)據(jù)實(shí)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。其基本要求和目標(biāo)是：

① 在整個(gè)系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，使E2PROM 空間得到最大利用；

② 系統(tǒng)能夠辨別不能使用的E2PROM 單元，從而保障數(shù)據(jù)安全。

3、策略分析

為方便敘述，將整個(gè)E2PROM空間分為以下幾個(gè)部分：統(tǒng)稱已經(jīng)分配給用戶使用的地址連續(xù)的E2PROM區(qū)域?yàn)椤罢加脡K”；稱未曾分配的地址連續(xù)的E2PROM區(qū)域?yàn)椤翱衫脡K”或“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，還要在E2PROM內(nèi)劃定一個(gè)地址連續(xù)的區(qū)域作為“目錄表”。這個(gè)目錄表記錄的是占用塊中實(shí)際占用空間的地址。與此對(duì)應(yīng)的，占用塊中另外的部分就是廢棄空間（單元） 。

采取這樣的策略，在高地址的空閑塊中先放入目錄表。該目錄表的大小決定于占用塊中實(shí)際占用單元的多少，目錄表記錄實(shí)際占用單元的地址；占用塊從低地址的空閑塊開(kāi)始分配，系統(tǒng)不再回收已經(jīng)分配的占用塊，一直到占用塊中出現(xiàn)廢棄單元，系統(tǒng)就為其把現(xiàn)有的占用塊擴(kuò)大，同時(shí)修改目錄表中的相關(guān)地址信息。

在系統(tǒng)運(yùn)行初期，如果地址信息與數(shù)據(jù)信息同類型，那么占用塊和目錄表所占空間大小是一樣的，且目錄表是一個(gè)低地址的序列。如圖1所示，如果單片機(jī)內(nèi)有N個(gè)E2PROM 存儲(chǔ)單元內(nèi)，則在高地址開(kāi)辟一個(gè)目錄表空間，記錄m個(gè)實(shí)際占用單元的地址，即0，1 ，2 ， …，m-1 。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到一定時(shí)間后，占用塊中的某一個(gè)單元會(huì)因?yàn)镋2PROM 數(shù)據(jù)擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)限次而失效被廢棄，不妨假設(shè)這個(gè)單元地址是002H，那么系統(tǒng)就開(kāi)始查找當(dāng)前目錄表中所記錄的最大地址值，如圖2所示。這個(gè)最大地址值加1，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址，這里是（m-1）+1 = m。同時(shí)，目錄表所記錄的該內(nèi)容的地址也做出相應(yīng)修改。

可以預(yù)想的是，接著系統(tǒng)在一定時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)廢棄單元，假設(shè)這個(gè)單元地址是000H。依次類推，如圖3所示，系統(tǒng)會(huì)為D0分配地址m+1 所指向的空間，同時(shí)目錄表內(nèi)原先表示D0所在的地址值會(huì)被更改為m+1 。

隨著E2PROM內(nèi)廢棄單元的逐漸增加，空閑塊的大小不斷縮小。當(dāng)出現(xiàn)新的廢棄單元而沒(méi)有空閑塊可以利用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)故障。采用這樣的策略后，相對(duì)于首次出現(xiàn)廢棄單元系統(tǒng)便被摧毀來(lái)說(shuō)，實(shí)際上這個(gè)出現(xiàn)故障的時(shí)間已經(jīng)被大大延緩了。

設(shè)Di在固定E2PROM 單元可存放的壽命為ti。這個(gè)值與系統(tǒng)中要求Di被修改的平均次數(shù)有關(guān)，其中i = 0，1，2， …， m - 1。

4、實(shí)現(xiàn)流程

圖4 為實(shí)現(xiàn)上述策略的程序流程。

在每一次E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程中，首先都需要從目錄表中查找該數(shù)據(jù)在占用塊內(nèi)的地址add【i］，然后將新數(shù)據(jù)D［i］寫(xiě)入該地址。單從算法的角度考慮，認(rèn)為不存在寫(xiě)失敗或讀失敗的情況，那么隨后將寫(xiě)好的數(shù)據(jù)再讀出，通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性就可以判別該占用單元是不是應(yīng)該廢棄。如果驗(yàn)證通過(guò)，修改操作完成；如果驗(yàn)證沒(méi)有通過(guò)，則廢棄該地址空間，并通過(guò)查詢目錄表，向后開(kāi)辟新的占用單元，之后重復(fù)存儲(chǔ)過(guò)程。

5、示例

AVR單片機(jī)在片內(nèi)集成了可以擦寫(xiě)1 000 000次的E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)保存，方便使用，減少系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。下面以AVR系列中的ATmega8為例，介紹上述的E2PROM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)策略的C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)。

6、結(jié)語(yǔ)

集成獨(dú)立E2 PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是單片機(jī)設(shè)計(jì)的必然發(fā)展趨勢(shì)。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，對(duì)于單片機(jī)的用戶來(lái)說(shuō)，怎樣更合理、更科學(xué)地利用好單片機(jī)的這些內(nèi)部資源，是極其重要也是需要不斷地探索和總結(jié)的。