Flash单片机自编程技术的探讨

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 WatchdogDINT；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 03300hFwkey .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_wwDINT；禁止所有中断 CLR.B &IE1；禁止 NMI、ACCV 和 OP 中断 MOV #5A80h, &WDTCTL；关闭 WatchdogMOV #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 CopyPUSH @R13；将程序拷贝进 RAMDECD R13DEC R15JNZ CopyMOV SP, R15MOV #0A54oh, &FCTL1；WRT ＝ 1CALL R15；调用 RAM 中的 Flash 写程序 MOV #0A500h, &FCTL1；WRT ＝ 0MOV #0A510h, &FCTL3；LOCK ＝ 1ADD #2*Flash_ww_length, SPRETFlash_ww_startMOV R14, 0(R12)；向 Flash 写 1 字节 Wait_bfBIT #1, &FCTL3；检测 BUSY 位 JNZ Wait_bfFlash_ww_endRETFlash_ww_length EQU(Flash_ww_end ?Flash_ww_start +

2)/2ENDMOD 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。