第13章 Flash存储器

第13章Flash存储器Flash存储器具有电可擦除、无需后备电源来保护数据、可在线编程、存储密度高、低功耗、成本较低等特点，这使得Flash存储器在嵌入式系统中的使用迅速增长。

本章主要以HC08系列中的GP32为例阐述Flash存储器的在线编程方法，也简要阐述了HCS08系列中GB60的在线编程方法。

本章首先概述了Flash存储器的基本特点，并介绍其编程模式，随后给出M68HC908GP32的Flash存储器编程的基本操作及汇编语言和C语言的在线编程实例。

最后讨论MC9S08GB60的Flash存储器编程方法。

Flash存储器编程方法有写入器模式与在线模式两种，本章讨论的是在线模式。

有的芯片内部ROM中，包含了Flash擦除与写入子程序，在本章的进一步讨论中给出了调用方法，使Flash编程相对方便。

有的芯片内部ROM中没有固化Flash擦除与写入子程序，只能自己编写Flash擦除与写入子程序。

而编写Flash擦除与写入子程序需要较严格的规范，所以这是比较细致的工作，读者应仔细分析本章的例程，并参照例程编程。

掌握了GP32芯片的Flash编程方法后，可以把此方法应用于整个系列的Flash编程。

Flash在线编程对初学者有一定难度，希望通过实例分析学习。

本章给出Flash在线编程的C语言实例，对于训练C语言与汇编联合编程技巧很有帮助。

13.1 Flash存储器概述与编程模式理想的存储器应该具备存取速度快、不易失、存储密度高(单位体积存储容量大)、价格低等特点，但一般的存储器只具有这些特点中的一个或几个。

近几年Flash存储器(有的译为：闪速存储器或快擦型存储器)技术趋于成熟，它结合了OTP存储器的成本优势和EEPROM的可再编程性能，是目前比较理想的存储器。

Flash存储器具有电可擦除、无需后备电源来保护数据、可在线编程、存储密度高、低功耗、成本较低等特点。

这些特点使得Flash存储器在嵌入式系统中获得广泛使用。

从软件角度来看，Flash和EEPROM技术十分相似，主要的差别是Flash存储器一次只能擦除一个扇区，而不是EEPROM存储器的1个字节1个字节地擦除，典型的扇区大小是128B~16KB。

尽管如此，因为Flash存储器的总体性价比，它还是比EEPROM更加流行，并且迅速取代了很多ROM器件。

嵌入式系统中使用Flash存储器有两种形式：一种是嵌入式处理器上集成了Flash，另一种是片外扩展Flash。

目前，许多MCU内部都集成了Flash存储器。

Freescale公司在Flash存储器技术相当成熟的时候，在HC08系列单片机内集成了Flash存储器。

该系列内部的Flash存储器不但可用编程器对其编程，而且可以由内部程序在线写入(编程)，给嵌入式系统设计与编程提供了方便。

存储器是MCU的重要组成部分，存储器技术的发展对MCU的发展起到了极大的推动作用。

对于Freescale公司新推出的HCS08系列MCU采用第三代0.25微米的闪存技术，其擦写速度更快，性能更稳定。

本节首先简要概述Flash存储器普遍具有的基本特点、Flash存储器的两种编程模式，然后介绍Freescale的HC08系列单片机内的Flash存储器的主要特点，最后对M68HC908GP32单片机的Flash存储器在两种编程模式下的基本情况作简要介绍。

13.1.1 Flash存储器的基本特点与编程模式(1) Flash存储器的基本特点Flash存储器是一种高密度、真正不挥发的高性能读写存储器，兼有功耗低、可靠性高等优点。

与传统的固态存储器相比，Flash存储器的主要特点如下。

①固有不挥发性：这一特点与磁存储器相似，Flash存储器不需要后备电源来保持数据。

所以，它具有磁存储器无需电能保持数据的优点。

②易更新性：Flash存储器具有电可擦除特点。

相对于EPROM(电可编程只读存储器)的紫外线擦除工艺，Flash存储器的电擦除功能为开发者节省了时间，也为最终用户更新存储器内容提供了可能。

③成本低、密度高、可靠性好：与EEPROM(电可擦除可编程的只读存储器)相比较，Flash存储器的成本更低、密度更高、可靠性更好。

(2) Flash存储器的两种编程模式从Flash存储器的基本特点可以看出，在单片机中，可以利用Flash存储器固化程序，一般情况下通过编程器来完成，Flash存储器工作于这种情况，叫监控模式(Monitor Mode)或写入器模式，这与一般的EPROM、OTP、EEPROM装入程序的含义相似。

另一方面，由于Flash存储器具有电可擦除功能，因此，在程序运行过程中，有可能对Flash 存储区的数据或程序进行更新，Flash存储器工作于这种情况，叫用户模式(User Mode)或在线编程模式。

但是，并不是所有类型的单片机内Flash存储器都具有在线编程功能，目前，有的公司出品的单片机，还不能够支持Flash存储器在线编程模式。

Freescale的HC908系列单片机的片内Flash支持这两种编程模式。

一般来说，两种模式对Flash存储器的编程操作的程序是一致的，差别在于调用这些程序的方式和环境。

13.1.2 HC08系列单片机Flash存储器的特点与编程模式(1) MC908系列单片机Flash存储器的特点早期的片内Flash技术与ROM或EPROM相比较，其可靠性和稳定性存在一些不足。

Freescale公司在Flash存储器技术相当成熟的时候才推出片内带有Flash存储器的8位单片机，在应用方便性和可靠性等方面有自己的特点，主要有：第一，编程速度快及可靠性高。

Freescale HC08系列单片机的片内Flash的整体擦除时间可以控制在5ms以内，对单字节的编程时间也在40ns以内。

片内Flash的存储数据可以保持10年以上，可擦写次数也在1万次以上。

第二，单一电源电压供电。

一般的Flash存储器，在正常的只读情况下，只需要用户为其提供普通的工作电压即可，而要对其写入(编程)，则需要同时提供高于正常工作电压的编程电压。

但是，Freescale HC08系列单片机通过在片内集成电荷泵，可由单一工作电压在片内产生出编程电压。

这样，可实现单一电源供电的在线编程，不需要为Flash的编程而在目标板上增加多余的硬件模块。

正因为Flash的读写电压要求不同，一些公司的内置Flash存储器便放弃了在线擦除写入功能，而仅有通过编程器的写入功能。

第三，支持在线编程。

Freescale HC08系列单片机的片内Flash支持在线编程(In-Circuit Program)，允许单片机内部运行的程序去改写Flash存储内容，这样可以代替外部电可擦除存储芯片，减少外围部件，增加了嵌入式系统开发的方便性。

基于以上这些特点，掌握Freescale HC08系列单片机的Flash存储器的编程技术，充分利用Freescale HC08系列单片机Flash存储器的功能，对基于Freescale HC08系列单片机的嵌入式系统的开发是十分必要的。

但是，与一般程序相比，Flash存储器的编程技术相对比较复杂，有一些特殊之处，本章将在实际应用基础上，总结Freescale的MC908GP32单片机的Flash编程方法，给出编程实例。

(2) MC908系列单片机Flash存储器的编程模式MC908系列单片机中绝大多数型号在其内部带有监控ROM(Monitor ROM)，其地址和大小取决于芯片型号。

Flash存储器工作于监控模式的条件是：①复位向量($FFFE～$FFFF)内容为“空”($FFFF)。

②单片机复位时在IRQ引脚上加上高电压(1.4～2Vdd)，并给某些I/O脚置适当值(与芯片型号有关，设计时，参考芯片手册)。

只要满足上面条件之一，就可以使单片机在复位后进入监控工作方式。

前者适用于单片机芯片已经安装在用户PCB板上，可以实现在线编程(ICP)。

初始时，芯片为“空”，用户以这种方式装入程序后，以后的复位将执行用户装入的程序，不再进入监控模式。

后者一般用于通过编程器进行程序装入。

在监控方式下，单片机内部的监控ROM程序开始工作，首先进行初始化，随后进入串行输入命令状态。

监控ROM通过一根I/O口线与主机进行串行通信，该I/O口线的指定与芯片型号有关，例如，对MC908GP32，它为PTA0；对MC68HC908JL3，它为PTB0，该I/O口线在使用时需外接上拉电阻。

主机程序可以利用监控ROM提供的少数几条指令对单片机内部地址进行读取、写入等基本操作，包括下载程序到RAM中并执行。

在此基础上，主机可以通过主机程序或是下载到RAM中的程序完成对Flash 存储器编程所需的一系列操作。

M68HC908系列单片机的Flash存储器工作于用户模式不需要特别的条件，在单片机正常工作的过程中，程序可以随时转入对Flash存储器进行编程操作。

这种情况下对Flash存储器的擦除与写入不需要用户提供其它外部硬件条件。

两种模式各有优缺点：监控模式需要外部硬件支持，但不需要单片机内部程序的存在，所以适合对新出厂芯片进行编程写入，或是对芯片进行整体擦除与写入；用户模式可以在单片机正常工作时进入，所以常用在程序运行过程中对部分Flash存储器的一些单元内容进行修改，特别适合于目标系统的动态程序更新和运行数据的存储。

目前监控模式常被仿真器和编程器采用，而在实际的工程应用中，开发者往往只需要考虑和实现用户模式下的Flash存储器在线编程。

本章只讨论用户模式下的Flash存储器的编程方法，给出具体的实例。

要进行编程器研制或仿真器研制的技术人员需掌握有关监控模式的Flash存储器的编程方法，请参考Freescale的有关手册或其它文献。

13.2 MC908GP32单片机Flash存储器编程方法Flash存储器一般作为程序存储器使用，不能在运行时随时擦除、写入。

当然，由于物理结构方面的原因，对Flash存储器的写操作，更不能像对待一般RAM那样方便。

在许多嵌入式产品开发中，需要使用掉电仍能保存数据的存储器来保存一些参数或重要数据，目前一般使用EEPROM来实现。

HC08的Flash存储器提供了用户模式下的在线编程功能，可以使用Flash存储器的一些区域来实现EEPROM的功能，这样简化了电路设计，节约了成本。

但是，Flash存储器的在线编程不同于一般的RAM读写，需要专门的过程，本节介绍HC08的Flash存储器的基本操作方法。

13.2.1 Flash存储器编程的基本概念虽然Flash存储器是一种快速的电可擦除、电可编程(写入)的只读存储器，但是基于其物理结构原因，对Flash存储器的擦除及写入一般需要高于电源的电压，Freescale HC08系列单片机的片内Flash存储器内含有“升压电路”，使其能够在单一电源供电情况下进行擦除与写入。