Здесь приведен перевод апноута AVR106: C functions for reading and writing to Flash memory [1], посвященного подпрограммам чтения и записи памяти FLASH на языке C для микроконтроллеров AVR. Рассмотрены функции чтения и записи одного байта FLASH, чтение и записи одной страницы FLASH, опциональное восстановление после неожиданного пропадания питания. Рассмотренные функции могут использоваться с любым устройством (микроконтроллером AVR), которое имеет возможность записи памяти программ из кода приложения [2] (это почти вся линейка AVR микроконтроллеров Atmel). Вместе с апноутом AVR106 приведен также проект примера программы [3], использующей секцию памяти программ для сохранения параметров.

Почти все микроконтроллеры AVR® компании Atmel имеют так называемую возможность самопрограммирования (Self programming Program memory). Самопрограммирование является одной из особенностей технологии AVR. Чтобы лучше разобраться с этим, обратитесь к апноуту AVR109 [2]. Самопрограммирование позволяет AVR перепрограммировать собственную память FLASH во время работы программы. Это подходит для приложений, которые нуждаются в самостоятельном обновлении кода firmware (bootloader, загрузчики, бутлоадеры) или сохранении какой-либо информации в области памяти FLASH. Этот апноут предоставляет функции на языке C, которые позволяют получить доступ к области памяти FLASH.

[Ассемблерная инструкция SPM]

Память FLASH может быть запрограммирована с помощью инструкции SPM (Store Program Memory). На устройствах, поддерживающих самопрограммирование, память программ FLASH часто делится на 2 основные секции: секция основной программы (память приложения, Application Flash Section) и секция загрузки (Boot Flash Section). Прим. переводчика: секция основной программы начинается с адреса 0x0000, а секция загрузки занимает маленький блок памяти обычно 2..4 килобайта в конце FLASH.

На устройствах, которые имеют блок памяти загрузки (boot block), инструкция SPM имеет возможность записи во всю область памяти FLASH, но только в том случае, если она выполняется из области памяти загрузки. Выполнение SPM из секции приложения не дает никакого эффекта. На младших устройствах AVR, к которых нет блока загрузки, инструкция SPM может работать из любого места памяти FLASH.

Во время записи FLASH в секции загрузки работа CPU всегда останавливается. Однако большинство устройств могут выполнить код (чтение) из секции загрузки, когда происходит запись области памяти приложения (Application section). Очень важно, чтобы код, выполняемый при записи Application section, не пытался читать из Application section. Если это вдруг произойдет, то может быть нарушено общее выполнение программы.

Размер и область размещения этих двух областей памяти FLASH зависит от типа устройства и установки его фьюзов. Некоторые устройства имеют возможность выполнять инструкцию SPM из любого места области памяти FLASH.

[Процедура записи FLASH]

Технология памяти FLASH устроена так, что записывается эта память постранично. Запись осуществляется путем сохранения всей страницы во временном буфере страницы, перед тем, как страница будет записана во FLASH. Адрес, по которому будет записаны данные страницы, определяется по содержимому Z-регистра и RAMPZ-регистра. Страница должна быть очищена (erase) перед тем, как на страницу могут быть записаны данные из временного буфера. Функции, которые содержит этот апноут, используют следующую процедуру для записи страницы FLASH:

• Заполнение буфера страницы
• Очистка страницы
• Запись страницы

Как можно заметить, возможна потеря данных, если во время этой процедуры неожиданно произойдет сброс или пропадание питания сразу после очистки страницы. Потери данных можно избежать, если предварительно применить буферизирование записываемых данных в энергонезависимой памяти (nonvolatile memory, обычно EEPROM). Функции записи, содержащиеся в этом апноуте, предоставляют опциональное буферизирование при записи. Эти функции далее рассматриваются в секции "Описание firmware". Для устройств, которые имеют фичу read-while-write (чтение во время записи), бутлоадер может выполняться во время записи, и из функций не произойдет возврат, пока запись не завершится.

[Адресация FLASH]

Память FLASH в AVR поделена на 16-битные слова. Это означает, что каждый адрес FLASH означает ячейку из 2 байт данных. Для ATmega128 можно адресовать до 65k слов или 128k байт данных FLASH. В некоторых случаях память FLASH упоминается адресованной словами, и в других случаях - адресованной побайтно, что вносит некоторую путаницу. Все функции, содержащиеся в этом апноуте, используют байтовую адресацию. Соотношение между байтовым адресом и адресом слова следующее:

Байтовый адрес = Адрес слова * 2

Страница FLASH адресуется с использованием адреса байта для первого байта на странице. Соотношение между номером станицы (0, 1, 2, ...) и адресом байта следующее:

Байтовый адрес = номер страницы * размер страницы (в байтах)

Пример байтовой адресации: размер страницы FLASH у ATmega128 равен 256 байт. Байтовый адрес 0x200 (512) укажет на следующее:

• Байт FLASH 0x200 (512), что соответствует байту 0 на странице 2
• Страница 2 FLASH

Когда адресуется страница ATmega128, младший байт адреса всегда 0. Когда адресуется слово, то младший бит (LSB) адреса всегда 0.

[Реализация проекта примера, работающего с FLASH]

Проект firmware сделан для компилятора IAR. Функции могут быть портированы на другие компиляторы, но могут потребоваться некоторые усилия, поскольку используется специфическая мнемоника (intrinsic functions) компилятора IAR. Функции доступны через подключение файла Self_programming.h в главный модуль C, и добавление модуля Self_programming.c к проекту. Когда используется Self-programming (самопрограммирование), то важно, чтобы функции для записи размещались в пределах секции загрузки (Boot section) памяти FLASH. Размещение функций управляется путем использования определений сегмента памяти в файле конфигурации линкера (*.xcl). Все другие необходимые конфигурации, касающиеся firmware, сделаны в файле Self_programming.h.

PAGESIZE. Константа PAGESIZE должна быть определена равной размеру страницы FLASH (в байтах) используемого устройства.

__FLASH_RECOVER. Определение константы __FLASH_RECOVER разрешает опцию восстановления Flash, чтобы избежать потери данных при случайных пропаданиях питания. Когда восстановление разрешено, одна страница Flash выделена под буфер восстановления. Значение __FLASH_RECOVER будет определять адрес страницы FLASH, которая используется для этого. Адрес должен быть байтовым, указывающим на начало страницы FLASH, и функции записи не смогут записывать в эту страницу. Восстановление FLASH происходит вызовом функции RecoverFLASH() при старте программы (program startup).

ADR_LIMIT_LOW и ADR_LIMIT_HIGH. Диапазон памяти, в котором функциям разрешено записывать FLASH, задается константами ADR_LIMIT_LOW и ADR_LIMIT_HIGH. Функции могут записывать по адресам больше или равным ADR_LIMIT_LOW и меньше или равным ADR_LIMIT_HIGH.

[Размещение всего кода внутри секции загрузки]

Необходимо перезадать диапазон сегментов, определенных в файле настройки линкера по умолчанию (файл *.xcl), чтобы разместить весь код приложения в секции загрузки (Boot section) FLASH. Размещение и размер Boot section зависит от устройства и установок его фьюзов. Программирование фьюза BOOTRST перенесет вектор сброса в начало секции загрузки. Также можно перенести все вектора прерывания в секцию загрузки. Обратитесь к секции даташита на устройство, посвященной прерываниям, за инструкциями, как это сделать. Определения сегмента, которые должны быть изменены для размещения всего программного кода в секции загрузки:

TINY_F, NEAR_F, SWITCH, DIFUNCT, CODE, FAR_F, HUGE_F, INITTAB, TINY_ID, NEAR_ID и CHECKSUM.

В этом апноуте предоставляется в качестве примера файл lnkm128s.xcl, где задано размещение всего кода программы в 8 килобайт секцию загрузки Atmega128. Этот файл можно просто модифицировать для использования с другими устройствами, и в нем содержатся инструкции, как это осуществить.

[Размещение в секции загрузки только некоторых функций]

В качестве альтернативы можно разместить только некоторые функции в заданном сегменте памяти FLASH. В нашем случае в секции загрузки нужно разместить только функции записи. Это можно сделать заданием нового сегмента FLASH, эквивалентного области памяти загрузки, и использование оператора @ для размещения нужных функций в этом сегменте. Оператор @ не распространяется на функции, которые вызываются внутри функций, помеченных @.

Определение сегмента загрузки (Boot segment) в файле *.xcl для ATmega128 с размером 8 килобайт:

1. Сделайте новое определение размера секции загрузки.

-D_..X_BOOTSEC_SIZE=2000 /* 4096 слов */

2. Задайте новый сегмент для всей секции загрузки, основанный на определении шага 1.

-Z(FARCODE)BOOT_SEGMENT=(_..X_FLASH_END-_..X_BOOTSEC_SIZE+1)-_..X_FLASH_END

Размещение функций C в заданном сегменте:

void ExampleFunction() @ BOOT_SEGMENT
{
   //код функции
   ...
}

Пример кода на языке C, приведенный выше, разместит функцию ExampleFunction() в определенный сегмент памяти BOOT_SEGMENT.

[Описание firmware]

Код firmware состоит из 5 функций на языке C, и один проект примера для IAR версии 2.28a / 3.10c для ATmega128. Проект примера сконфигурирован так, чтобы разместить код всего приложения в секцию загрузки (Boot section) памяти FLASH. Этот код можно использовать как стартовую точку Вашей программы, которая может записывать FLASH. В таблице показаны функции, которые осуществляют доступ к памяти FLASH.

Тип данных MyAddressType определен в Self_programming.h. Размер этого типа зависит от используемого устройства. Для устройств, у которых FLASH больше 64 килобайт, он будет задан как long int, и int для устройств, у которых объем FLASH меньше или равен 64 килобайта (адрес байта 16-битный). Типы данных в реальности используются как указатели __flash или __farflash (соответственно 16 и 24 бит). Причина определения нового типа в том, что использование целочисленных типов более удобно, чем типов указателя.

ReadFlashByte() возвращает 1 байт, который размещен по адресу FLASH, указанном во входном аргументе.

ReadFlashPage() читает одну страницу памяти FLASH от адреса ucFlashStartAdr, и сохраняет данные в массиве pucDataPage[]. Количество сохраняемых байт зависит от размера страницы FLASH. Функция вернет FALSE, если входной адрес не является адресом страницы FLASH, иначе вернет TRUE.

WriteFlashByte() запишет байт ucData по адресу FLASH ucFlashAddr. Функция вернет FALSE, если входной адрес не является допустимым адресом FLASH для записи, иначе вернет TRUE.

WriteFlashPage() запишет данные из массива pucDataPage[] в страницу FLASH по адресу ucFlashStartAdr. Количество записываемых байт зависит от размера страницы FLASH. Функция вернет FALSE, если входной адрес не является допустимым адресом страницы FLASH для записи, иначе вернет TRUE.

RecoverFlash() прочитает переменную состояния в EEPROM, и восстановит страницу FLASH, если это необходимо. Функция должна быть вызвана в начале программы, если разрешена опция восстановления FLASH (__FLASH_RECOVER). Функция вернет TRUE, если имело место восстановление, иначе вернет FALSE.

[Как работает восстановление FLASH]

Когда разрешена опция восстановления FLASH, запись страницы вовлекает предварительное сохранение данных в выделенную страницу восстановления FLASH, перед тем как произойдет действительная запись во FLASH. Адрес записываемой страницы сохраняется в EEPROM совместно с байтом статуса, который показывает, что страница восстановления FLASH содержит данные. Этот байт состояния будет очищен, когда произойдет успешное завершение операции записи указанной страницы. Переменные в EEPROM и буфер восстановления FLASH используются функцией восстановления RecoverFlash(), чтобы восстановить данные, если это необходимо. Запись одного байта в EEPROM занимает примерно такое же время, как и запись всей страницы во FLASH. Так что нужно иметь в виду, что разрешение опции восстановления приведет к значительному увеличению времени записи. EEPROM используется вместо FLASH, потому что выделение нескольких байт в FLASH исключит гибкое использование всей страницы, которая будет содержать эти байты.

[Блок-схемы алгоритмов]

Рис. 2. Алгоритм работы функции ReadFlashByte().

Рис. 3. Алгоритм работы функции ReadFlashPage().

Рис. 4. Алгоритм работы функции WriteFlashByte().

Рис. 5. Алгоритм работы функции WriteFlashPage().

Рис. 6. Алгоритм работы функции RecoverFlash().

[Ссылки]

1. AVR106: C functions for reading and writing to Flash memory site:atmel.com.
2. AVR109: самопрограммирование AVR.
3. AVR106.zip.