Flash单片机自编程技术的探讨 - 软件编程/OS - 电子工程师俱

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Flash的可自编程性（Self-Programmability）是指，用Flash存储器中的驻留软件或程序对Flash存储器进行擦除/编程，但是，要求运行程序代码的存储区与待编程的存储区不在同一模块中。因此，只有一个片上Flash存储器模块的微处理器，是不能在进行擦除/编程Flash操作的同时执行程序的。目前，有两种途径可以解决：①在擦除/编程Flash的过程中，将CPU置于空闲状态；②将擦除/编程Flash的指令复制到RAM，再由CPU来执行。 　　
TI公司的MSP430系列Flash型单片机内部集成有Flash控制器，可以采用外部编程器进行烧写，也可以利用自己的程序修改Flash的内容，且不用外加编程电压。在进行系统设计时，可以利用片内的Flash保存一些运行数据，实现掉电保护；还可以修改Flash中的整个程序或局部程序，实现在系统升级。
　　
本文以TI公司的MSP430系列Flash型芯片为例，对如何进行Flash的自编程操作做进一步的探讨。

1 MSP430芯片Flash存储器的结构
　　
Flash存储器模块是一个可独立操作的物理存储器单元。全部模块安排在同一个线性地址空间中，一个模块又可以分为多个段。当对Flash存储器段中的某一位编程时，就必须对整个段擦除，因此，Flash存储器必须分为较小的段，以方便地实现擦除和编程。图1是MSP430芯片上Flash存储器模块的结构框图。该Flash存储器模块包含如下部分：

控制逻辑——控制Flash擦除和编程时的机器状态和时序发生器；
Flash保护逻辑——避免意外的Flash擦除和编程操作；
编程电压发生器——提供Flash擦除和编程所需全部电压的集成电荷泵；
3个16位控制寄存器——FCTL1、FCTL2、FCTL3控制Flash模块的全部操作；
存储器本身。


2 Flash存储器的擦除和编程操作
　　
通常CPU访问Flash是为了读取数据或者是执行程序，这时数据、地址锁存器是透明的，时序发生器和电压发生器关闭。然而，我们有时候需要在程序执行的过程中对Flash的内容进行修改，这时就需要对控制寄存器FCTLx进行适当的设置，以保证擦除/编程操作的正确执行。当进行擦除/编程操作时，Flash模块中的时序发生器将产生全部内部控制信号，控制全部执行过程。这时CPU是不能访问Flash的，因此所要执行的程序指令必须从别的地方调用，如RAM，或者将CPU置于空闲状态。当Flash的编程结束后，CPU才能重新获得对Flash的控制权。 　　MSP430系列芯片中只集成了一个Flash模块用作程序和数据存储器。这就意味着在对Flash进行编程时，中断向量是不起作用的，任何中断请求都得不到响应。所有可能的中断源（包括看门狗）在对Flash进行擦除/编程操作前，都应该被屏蔽掉，如程序1所示。

程序1：禁止所有中断和Watchdog

DINT ；禁止所有可屏蔽中断
CLR.B &IE1 ；禁止NMI、ACCV和OF中断
MOV #5A80H, &WDTCTL ；关闭片内看门狗

2.1 直接进行的Flash自编程
　　
MSP430独有的一个特点就是，其Flash模块可以不用把程序代码拷贝到其它的存储器就可实现自编程。在Flash自编程过程中，当CPU从Flash中取指令时，Flash会返回值 3FFFh（JMP $）给CPU，使CPU处于无限循环直到Flash自编程的结束，才会将下一条指令返回，从而使程序继续执行下去。

下面给出的程序2，对MSP430芯片的Flash进行自编程是非常容易实现的。不过这种方法也存在一个缺点：在Flash进行自编程的过程中，CPU处于空闲状态，所以这时既不能执行程序，也不能响应中断，而且这种Flash自编程方法只可用于字或字节编程模式，而不适用于速度更快的段写模式。

程序2：用同一模块软件将一个字写入Flash存储器

Fxkey .set 03300h
Fwkey .set 0A500h
…… ；禁止所有中断
MOV #(Fwkey + WRT), &FCTL1 ；允许对Flash编程
MOV #123h, &0FE1Eh ；编程一个字
MOV #Fwkey, &FCTL1 ；编程位复位
XOR #(Fxkey + Lock), &FCTL3 ；LOCK位置位
…… ；允许中断

2.2 通过RAM程序调用实现Flash自编程
　　
在Flash进行擦除和编程期间，CPU只能访问存于片上RAM的程序指令。将Flash中的程序复制进堆栈中，如程序3所示。当对Flash进行擦写时，CPU就可以从RAM中执行程序。Flash的擦写操作完成后，Flash就可以重新被访问，程序指针PC就会再次指向Flash存储器，堆栈指针SP也会恢复。

从RAM中执行程序，可以使CPU在Flash被改写时依然保持运行。因此，MSP430系列芯片在Flash编程期间仍然可以通过UART模块接收数据。不过，在这种模式下是否接收到数据，只能通过查询UART的接收标志位来进行判断。

程序3：将Flash中的程序指令拷贝进堆栈的程序

Flash_ww
DINT ；禁止所有中断
CLR.B &IE1 ；禁止NMI、ACCV和OP中断
MOV #5A80h, &WDTCTL ；关闭Watchdog
MOV #Flash_ww_end, R13 ；定义拷贝进RAM程序的
；结束地址和长度
MOV #Flash_ww_length, R15
MOV #0A500h, &FCTL3 ；清除LOCK位
Copy
PUSH @R13 ；将程序拷贝进RAM
DECD R13
DEC R15
JNZ Copy
MOV SP, R15
MOV #0A54oh, &FCTL1 ；WRT ＝ 1
CALL R15 ；调用RAM中的Flash写程序
MOV #0A500h, &FCTL1 ；WRT ＝ 0
MOV #0A510h, &FCTL3 ；LOCK ＝ 1
ADD #2*Flash_ww_length, SP
RET
Flash_ww_start
MOV R14, 0(R12) ；向Flash写1字节
Wait_bf
BIT #1, &FCTL3 ；检测BUSY位
JNZ Wait_bf
Flash_ww_end
RET
Flash_ww_length EQU(Flash_ww_end ?Flash_ww_start + 2)/2
ENDMOD

结 语
　　
本文提出的两种Flash自编程方法各有利弊。当CPU必须对事件作出快速反应时，如通过UART进行的数据通信，采用Flash自编程开始时将Flash中的程序代码复制进RAM再执行的方法。如果对实时性要求不高，在Flash自编程过程中，将CPU置于空闲状态的办法更为简单、直接。可以相信，随着Flash型芯片的广泛应用和技术的不断发展，Flash的自编程技术也将会有新的突破。