Flash單片機(jī)自編程技術(shù)

Flash的可自編程性（Self-Programmability）是指，用Flash存儲(chǔ)器中的駐留軟件或程序?qū)lash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程，但是，要求運(yùn)行程序代碼的存儲(chǔ)區(qū)與待編程的存儲(chǔ)區(qū)不在同一模塊中。因此，只有一個(gè)片上Flash存儲(chǔ)器模塊的微處理器，是不能在進(jìn)行擦除/編程Flash操作的同時(shí)執(zhí)行程序的。

目前，有兩種途徑可以解決：①在擦除/編程Flash的過程中，將CPU置于空閑狀態(tài)；②將擦除/編程Flash的指令復(fù)制到RAM，再由CPU來執(zhí)行。 　　
TI公司的MSP430系列Flash型單片機(jī)內(nèi)部集成有Flash控制器，可以采用外部編程器進(jìn)行燒寫，也可以利用自己的程序修改Flash的內(nèi)容，且不用外加編程電壓。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用片內(nèi)的Flash保存一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；還可以修改Flash中的整個(gè)程序或局部程序，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)升級(jí)。
　　
本文以TI公司的MSP430系列Flash型芯片為例，對(duì)如何進(jìn)行Flash的自編程操作做進(jìn)一步的探討。

1 MSP430芯片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)
　　
Flash存儲(chǔ)器模塊是一個(gè)可獨(dú)立操作的物理存儲(chǔ)器單元。全部模塊安排在同一個(gè)線性地址空間中，一個(gè)模塊又可以分為多個(gè)段。當(dāng)對(duì)Flash存儲(chǔ)器段中的某一位編程時(shí)，就必須對(duì)整個(gè)段擦除，因此，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器必須分為較小的段，以方便地實(shí)現(xiàn)擦除和編程。圖1是MSP430芯片上Flash存儲(chǔ)器模塊的結(jié)構(gòu)框圖。該Flash存儲(chǔ)器模塊包含如下部分：

控制邏輯——控制Flash擦除和編程時(shí)的機(jī)器狀態(tài)和時(shí)序發(fā)生器；
Flash保護(hù)邏輯——避免意外的Flash擦除和編程操作；
編程電壓發(fā)生器——提供Flash擦除和編程所需全部電壓的集成電荷泵；
3個(gè)16位控制寄存器——FCTL1、FCTL2、FCTL3控制Flash模塊的全部操作；
存儲(chǔ)器本身。

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2 Flash存儲(chǔ)器的擦除和編程操作
　　
通常CPU訪問Flash是為了讀取數(shù)據(jù)或者是執(zhí)行程序，這時(shí)數(shù)據(jù)、地址鎖存器是透明的，時(shí)序發(fā)生器和電壓發(fā)生器關(guān)閉。然而，我們有時(shí)候需要在程序執(zhí)行的過程中對(duì)Flash的內(nèi)容進(jìn)行修改，這時(shí)就需要對(duì)控制寄存器FCTLx進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以保證擦除/編程操作的正確執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)行擦除/編程操作時(shí)，F(xiàn)lash模塊中的時(shí)序發(fā)生器將產(chǎn)生全部?jī)?nèi)部控制信號(hào)，控制全部執(zhí)行過程。這時(shí)CPU是不能訪問Flash的，因此所要執(zhí)行的程序指令必須從別的地方調(diào)用，如RAM，或者將CPU置于空閑狀態(tài)。當(dāng)Flash的編程結(jié)束后，CPU才能重新獲得對(duì)Flash的控制權(quán)。 　　MSP430系列芯片中只集成了一個(gè)Flash模塊用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這就意味著在對(duì)Flash進(jìn)行編程時(shí)，中斷向量是不起作用的，任何中斷請(qǐng)求都得不到響應(yīng)。所有可能的中斷源（包括看門狗）在對(duì)Flash進(jìn)行擦除/編程操作前，都應(yīng)該被屏蔽掉，如程序1所示。

程序1：禁止所有中斷和Watchdog

DINT ；禁止所有可屏蔽中斷
CLR.B &IE1 ；禁止NMI、ACCV和OF中斷
MOV #5A80H, &WDTCTL ；關(guān)閉片內(nèi)看門狗

2.1 直接進(jìn)行的Flash自編程
　　
MSP430獨(dú)有的一個(gè)特點(diǎn)就是，其Flash模塊可以不用把程序代碼拷貝到其它的存儲(chǔ)器就可實(shí)現(xiàn)自編程。在Flash自編程過程中，當(dāng)CPU從Flash中取指令時(shí)，F(xiàn)lash會(huì)返回值 3FFFh（JMP $）給CPU，使CPU處于無限循環(huán)直到Flash自編程的結(jié)束，才會(huì)將下一條指令返回，從而使程序繼續(xù)執(zhí)行下去。

下面給出的程序2，對(duì)MSP430芯片的Flash進(jìn)行自編程是非常容易實(shí)現(xiàn)的。不過這種方法也存在一個(gè)缺點(diǎn)：在Flash進(jìn)行自編程的過程中，CPU處于空閑狀態(tài)，所以這時(shí)既不能執(zhí)行程序，也不能響應(yīng)中斷，而且這種Flash自編程方法只可用于字或字節(jié)編程模式，而不適用于速度更快的段寫模式。

程序2：用同一模塊軟件將一個(gè)字寫入Flash存儲(chǔ)器

Fxkey .set 03300h
Fwkey .set 0A500h
…… ；禁止所有中斷
MOV #(Fwkey + WRT), &FCTL1 ；允許對(duì)Flash編程
MOV #123h, &0FE1Eh ；編程一個(gè)字
MOV #Fwkey, &FCTL1 ；編程位復(fù)位
XOR #(Fxkey + Lock), &FCTL3 ；LOCK位置位
…… ；允許中斷

2.2 通過RAM程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)Flash自編程
　　
在Flash進(jìn)行擦除和編程期間，CPU只能訪問存于片上RAM的程序指令。將Flash中的程序復(fù)制進(jìn)堆棧中，如程序3所示。當(dāng)對(duì)Flash進(jìn)行擦寫時(shí)，CPU就可以從RAM中執(zhí)行程序。Flash的擦寫操作完成后，F(xiàn)lash就可以重新被訪問，程序指針PC就會(huì)再次指向Flash存儲(chǔ)器，堆棧指針SP也會(huì)恢復(fù)。

從RAM中執(zhí)行程序，可以使CPU在Flash被改寫時(shí)依然保持運(yùn)行。因此，MSP430系列芯片在Flash編程期間仍然可以通過UART模塊接收數(shù)據(jù)。不過，在這種模式下是否接收到數(shù)據(jù)，只能通過查詢UART的接收標(biāo)志位來進(jìn)行判斷。

程序3：將Flash中的程序指令拷貝進(jìn)堆棧的程序

Flash_ww
DINT ；禁止所有中斷
CLR.B &IE1 ；禁止NMI、ACCV和OP中斷
MOV #5A80h, &WDTCTL ；關(guān)閉Watchdog
MOV #Flash_ww_end, R13 ；定義拷貝進(jìn)RAM程序的
；結(jié)束地址和長(zhǎng)度
MOV #Flash_ww_length, R15
MOV #0A500h, &FCTL3 ；清除LOCK位
Copy
PUSH @R13 ；將程序拷貝進(jìn)RAM
DECD R13
DEC R15
JNZ Copy
MOV SP, R15
MOV #0A54oh, &FCTL1 ；WRT ＝ 1
CALL R15 ；調(diào)用RAM中的Flash寫程序
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寫1字節(jié)
Wait_bf
BIT #1, &FCTL3 ；檢測(cè)BUSY位
JNZ Wait_bf
Flash_ww_end
RET
Flash_ww_length EQU(Flash_ww_end ?Flash_ww_start + 2)/2
ENDMOD

3 結(jié) 語
　　
本文提出的兩種Flash自編程方法各有利弊。當(dāng)CPU必須對(duì)事件作出快速反應(yīng)時(shí)，如通過UART進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信，采用Flash自編程開始時(shí)將Flash中的程序代碼復(fù)制進(jìn)RAM再執(zhí)行的方法。如果對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，在Flash自編程過程中，將CPU置于空閑狀態(tài)的辦法更為簡(jiǎn)單、直接?？梢韵嘈牛S著Flash型芯片的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)lash的自編程技術(shù)也將會(huì)有新的突破。