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一文了解msp430单片机的存储器组织

454398 2020-11-06 5538

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描述

一般，在单片机中的Flash存储器用于存放程序代码，属于只读型存储器。而在MSP430些列的单片机中，都可以通过内置的Flash控制器擦除或改写任何一段的内容。另外，msp430的单片机内部还专门留有一段Flash区域(information memory)，用于存放掉电后需要永久保存的数据。利用430内部的Flash控制器，可以完成较大容量的数据记录、用户设置参数在掉电后的保存等功能。

硬件介绍：

要对Flash读写，首先要了解MSP430的存储器组织。430单片机的存储器组织结构采用冯诺依曼结构，RAM和ROM统一编址在同一寻址空间中，没有代码空间和数据空间之分。

一般430的单片机都统一编址在0-64k地址范围中，只有少数高端的型号才能突破64k（如：FG461x系列）。绝大多数的msp430单片机都编址在64kB范围内。地址的大概编码方式如下：

FlaSh

这是msp430f425的存储器分配图，其他在64k范围内的存储器的单片机编址方式与此类似：低256B是寄存器区，然后是RAM；空白；1000H到10FFH是信息Flash区；大于1100H-0FFFFH是主存储器区(从0FFFFH开始往低地址有单片机的主Flash，多余的部分空白)。

MSP430F14x的Flash分布：

FlaSh

MSP430F16x的Flash分布：

FlaSh

主Flash部分和信息Flash部分如下(60kB Flash对应的单片机，如msp430f149、msp430f149)：

主Flash分为以512B为段的单位，0段是单片机中断向量等程序入口地址，使用时不要擦除此段或改写此段，若要擦除或是改写，请先保存内容到RAM或其他段；主Flash各段内容均要避免写入或擦除，以免造成不可预料的后果。

信息Flash分为两段：段A和段B，每段128B；可以保存用户自己的内容(主Flash也可以但是要避免与程序代码区冲突)；这里就把信息Flash的两段称为InfoA(1080H-10FFh)和InfoB(1000H-10FFH)。

Flash的操作包括：字或字节写入；块写入；段擦除；主Flash擦除；全部擦除。任何的Flash操作都可以从Flash或从RAM中运行。

Flash操作时需要时序发生器，Flash控制器内部含有时序发生器用以产生所需的Flash时钟，Flash时钟的范围必须在257kHz到476kHz之间。时序发生器的框图如下：

FlaSh

时序发生器可以选择ACLK、MCLK、SMCLK作为时钟源，通过分频获得所需的257kHz到476kHz之间的Flash操作时钟。如果时钟频率不再这个范围内，将会产生不可预料的结果。

擦除：擦除之后，存储器中的bit都变为1；Flash中的每一位都可以通过编程写入有1到0，但是要想由0变为1，必须通过擦除周期。擦除的最小单位是段。有三种擦除模式：

MERAS   ERASE       Erase Mode
0       1           Segment erase
1       0           Mass erase (all main memory segments)
1       1           Erase all flash memory (main and information .segments)

可以通过MERAS、ERASE 位来设置擦除的模式：段擦除，主Flash擦除，全部擦除。

对要擦除段内的一个地址空写入启动擦出周期：空写入可以启动时序发生器和擦除操作。空写入后BUSY位立即变高直到擦除周期结束，这一位变为低(0)。BUSY, MERAS和 ERASE位在擦除周期结束后会自动复位。擦除周期的时间和要擦出的Flash大小无关，每次擦除的时间对于MSP430F1xx系系列单片机来说，所需时间是一样的。擦除的时序如下：

FlaSh

当空写入到的地址不在要擦除的段地址范围内的时候，空写入无效，直接被忽略。在擦除周期内，应该关中断，直到擦除完成，重新开中断，擦除期间的中断已经置标志位，开中断后立即响应。

从Flash中启动的擦除操作：擦除操作可以从Flash中启动或是从RAM中启动。当操作是从Flash中启动的时候，Flash控制器控制了操作时序，CPU运行被暂停直到擦除结束。擦除周期结束后，CPU继续执行，从空写入之后的指令开始运行。当从Flash中启动擦除操作时，可以擦除即将运行的程序所在的段，如果擦除了即将运行的程序所在的Flash段时，擦除结束后，CPU的运行不可预料。

从Flash启动时擦除周期如下：

FlaSh

用户指南里面的示例汇编程序如下：

; Segment Erase from flash. 514 kHz < SMCLK < 952 kHz
; Assumes ACCVIE = NMIIE = OFIE = 0.
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Disable WDT
DINT //; Disable interrupts
MOV #FWKEY+FSSEL1+FN0,&FCTL2 ; SMCLK/2
MOV #FWKEY,&FCTL3 ; Clear LOCK
MOV #FWKEY+ERASE,&FCTL1 ; Enable segment erase
CLR &0FC10h ; Dummy write, erase S1
MOV #FWKEY+LOCK,&FCTL3 ; Done, set LOCK
... ; Re-enable WDT?
EINT ; Enable interrupts

从RAM中启动擦除操作：任意擦除周期都可以从RAM启动，这时CPU不再暂停而是继续从RAM中运行接下来的程序。CPU可以访问任何Flash地址之前，必须检查BUSY位以确定擦除周期结束。如果BUSY = 1访问Flash，这是一个访问冲突，这时ACCVIFG将被设置，而擦除的结果将是不可预测的的。

从RAM中启动擦除操作时，过程如下：

FlaSh

要在擦除之前确认没有访问Flash，然后擦除完成之前不允许访问Flash。

; Segment Erase from RAM. 514 kHz < SMCLK < 952 kHz
; Assumes ACCVIE = NMIIE = OFIE = 0.
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL  ; Disable WDT
DINT                        ; Disable interrupts
L1 BIT #BUSY,&FCTL3         ; Test BUSY
JNZ L1                      ; Loop while busy
MOV #FWKEY+FSSEL1+FN0,&FCTL2; SMCLK/2
MOV #FWKEY,&FCTL3           ; Clear LOCK
MOV #FWKEY+ERASE,&FCTL1     ; Enable erase
CLR &0FC10h                 ; Dummy write, erase S1
L2 BIT #BUSY,&FCTL3         ; Test BUSY
JNZ L2                      ; Loop while busy
MOV #FWKEY+LOCK,&FCTL3      ; Done, set LOCK
...                         ; Re-enable WDT?
EINT                        ; Enable interrupts

写Flash操作：写入的模式由WRT和BLKWRT位来确定：

BLKWRT      WRT         Write Mode
0           1           Byte/word write
1           1           Block write

这两种模式中块写入大约是字或字节写操作时的两倍快，因为在块写入完成之前，变成电压一直维持直到块写入完成。同一个位置不能在擦除周期之前写入两次或以上，否则将发生数据损坏。写操作时，BUSY位被置1，写入完成后，BUSY被自动清零。如果写操作是从RAM发起的，在BUSY=1时，程序不能访问Flash，否则会发生访问冲突，置位ACCVIFG，Flash写入操作不可以预料。

字或字节写入：字或字节写入可以从Flash内部发起，也可以从RAM中发起。如果是从Flash中启动的写操作，时序将由Flash控制，在写入完成之前CPU运行将被暂停。写入完成后CPU将继续运行。

操作时序如下：

FlaSh

若是从RAM中启动写Flash，程序将继续从RAM中运行。CPU再次访问Flash之前必须确认BUSY位已经清零，否则会发生访问冲突，置位ACCVIFG，写入的结果将不可预料。

字或字节写入模式下，内部产生的编程电压时适用于完整的64个字节块的写入
In byte/word mode, the internally-generated programming voltage is applied
to the complete 64-byte block, each time a byte or word is written, for 32 of the
35 fFTG cycles. With each byte or word write, the amount of time the block is
subjected to the programming voltage accumulates. The cumulative
programming time, tCPT, must not be exceeded for any block. If the cumulative
programming time is met, the block must be erased before performing any
further writes to any address within the block.

从Flash发起写字节或字时：

FlaSh

; Byte/word write from flash. 514 kHz < SMCLK < 952 kHz
; Assumes 0FF1Eh is already erased
; Assumes ACCVIE = NMIIE = OFIE = 0.
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL      ; Disable WDT
DINT ; Disable interrupts
MOV #FWKEY+FSSEL1+FN0,&FCTL2    ; SMCLK/2
MOV #FWKEY,&FCTL3               ; Clear LOCK
MOV #FWKEY+WRT,&FCTL1           ; Enable write
MOV #0123h,&0FF1Eh              ; 0123h −> 0FF1Eh
MOV #FWKEY,&FCTL1               ; Done. Clear WRT
MOV #FWKEY+LOCK,&FCTL3          ; Set LOCK
...                             ; Re-enable WDT?
EINT                            ; Enable interrupts

从RAM中启动写入操作时：

FlaSh

; Byte/word write from RAM. 514 kHz < SMCLK < 952 kHz
; Assumes 0FF1Eh is already erased
; Assumes ACCVIE = NMIIE = OFIE = 0.
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL      ; Disable WDT
DINT                            ; Disable interrupts
L1 BIT #BUSY,&FCTL3             ; Test BUSY
JNZ L1                          ; Loop while busy
MOV #FWKEY+FSSEL1+FN0,&FCTL2    ; SMCLK/2
MOV #FWKEY,&FCTL3               ; Clear LOCK
MOV #FWKEY+WRT,&FCTL1           ; Enable write
MOV #0123h,&0FF1Eh              ; 0123h −> 0FF1Eh
L2 BIT #BUSY,&FCTL3             ; Test BUSY
JNZ L2                          ; Loop while busy
MOV #FWKEY,&FCTL1               ; Clear WRT
MOV #FWKEY+LOCK,&FCTL3          ; Set LOCK
...                             ; Re-enable WDT?
EINT                            ; Enable interrupts

块写入：当需要写入连续的多个字或字节时，块写入能够能够提高Flash访问速度。块写入时，内部产生的编程电压一直存在在64个字节的块写入期间。块写入不能有Flash存储器内启动，必须从RAM中发起块写入操作。块写入期间，BUSY位被置位。在写入每个字节或字时必须检测WAIT位。下一个字或字节能够被写入时，WAIT位被置位。

FlaSh

块写入的过程如下：

; Write one block starting at 0F000h.
; Must be executed from RAM, Assumes Flash is already erased.
; 514 kHz < SMCLK < 952 kHz
; Assumes ACCVIE = NMIIE = OFIE = 0.
MOV #32,R5                      ; Use as write counter
MOV #0F000h,R6                  ; Write pointer
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL      ; Disable WDT
DINT                            ; Disable interrupts
L1 BIT #BUSY,&FCTL3             ; Test BUSY
JNZ L1 ; Loop while busy
MOV #FWKEY+FSSEL1+FN0,&FCTL2    ; SMCLK/2
MOV #FWKEY,&FCTL3               ; Clear LOCK
MOV #FWKEY+BLKWRT+WRT,&FCTL1    ; Enable block write
L2 MOV Write_Value,0(R6)        ; Write location
L3 BIT #WAIT,&FCTL3             ; Test WAIT
JZ L3                           ; Loop while WAIT=0
INCD R6                         ; Point to next word
DEC R5                          ; Decrement write counter
JNZ L2                          ; End of block?
MOV #FWKEY,&FCTL1               ; Clear WRT,BLKWRT
L4 BIT #BUSY,&FCTL3             ; Test BUSY
JNZ L4                          ; Loop while busy
MOV #FWKEY+LOCK,&FCTL3          ; Set LOCK
...                             ; Re-enable WDT if needed
EINT                            ; Enable interrupts

当任何写或擦除操作是从RAM启动，而BUSY = 1，CPU不能读取或写入或从任何Flash位置。否则，发生访问冲突，ACCVIFG设置，结果是不可预知的。此外，如果闪存写入让WRT= 0，ACCVIFG中断标志设置，Flash不受影响。

如果写入或擦除操作时从Flash启动的，CPU访问下一条指令时(从Flash读取指令)，Flash控制器返回03FFFH给CPU；03FFFH是指令JMP PC，这让CPU一直循环直到Flash操作完成。Flash写入或擦除操作完成后，允许CPU继续访问接下来的指令。

当BUSY=1时，Flash访问时：

FlaSh

在开始Flash操作之前，需要停止所有的中断源。如果在Flash操作期间有中断响应，读中断服务程序的地址时，将收到03FFFH作为中断服务程序的地址。如果BUSY=1；CPU将一直执行难IMP PC指令；Flash操作完成后，将从03FFFH执行中断服务程序而不是正确的中断程序的地址。

停止写入或擦除：任何写入和擦除操作都可以在正常完成之前，通过设置紧急退出位EMEX退出操作。设置EMEX时，立即停止当前活动的操作，停止Flash控制器；所有的Flash操作停止，Flash返回可读模式，FCTL1的所有位复位；操作的结果不可预料。

设置和访问Flash控制器：FCTLx是16位的、密码保护的、可读写的寄存器。写入这些寄存器都必须在高位包含密码0A5H，如果写入的不是0A5H，将会引起复位。读寄存器时高位读出的是96H。

在擦除或写入字或字节时写FCTL1寄存器将会引起访问冲突，置位ACCVIFG.块写入时，WAIT=1时可以写FCTL1寄存器，当WAIT=0时写FCTL1寄存器是访问冲突，置位ACCVIFG。BUSY=1时，所有写入FCTL2寄存器都是访问冲突。BUSY=1时，所有的FCTLx都可以读操作，不会引起访问冲突。

Flash的中断：Flash控制器有两个中断源：KEYV, 和ACCVIFG。ACCVIFG在访问冲突的时候被置位。当ACCVIE在Flash操作完成后被重新使能后ACCVIFG会引起中断请求。ACCIFG和NMI同样的中断向量，所以这个中断不需要GIE位允许即可产生中断请求。必须通过软件检测ACCVIFG位，以确定发生了访问冲突；ACCVIFG位必须软件复位。KEYV是关键值错误当写Flash的寄存器时没有写正确的高位密码时被置位，这是会立刻引起PUC信号复位整个硬件。

编程Flash的硬件：编程430的Flash内容有三种选择，通过JTAG、通过BSL和用户定制。用户定制即是通过单片机的程序访问自己的Flash。

FlaSh

Flash的寄存器列表如下：

Register                            Short Form      Register Type   Address     Initial State
Flash memory control register 1     FCTL1           Read/write      0128h       09600h with PUC
Flash memory control register 2     FCTL2           Read/write      012Ah       09642h with PUC
Flash memory control register 3     FCTL3           Read/write      012Ch       09618h with PUC
Interrupt Enable 1                  IE1             Read/write      000h        Reset with PUC

Flash的硬件部分就介绍这么多了，有什么不大懂的地方请参考TI提供的用户指南。

程序实现：

首先设置Flash的时钟，初始化Flash控制器：

void FlashInit()
{
    FCTL2 = FWKEY + FSSEL_2 + FN1;          // 默认 SMCLK/3 =333KHz 
}

这个函数仅仅设置了时钟。

擦除函数：

void FlashErase(unsigned int Addr)  
{ 
    char *FlashPtr;
    FlashPtr = (char *)Addr;
    FCTL1 = FWKEY + ERASE;                      // Set Erase bit
    FCTL3 = FWKEY;                              // Clear Lock bit
    DINT;
    *FlashPtr = 0;                              // Dummy write to erase Flash segment B
    WaitForEnable();                            //Busy
    EINT;
    FCTL1 = FWKEY;                              // Lock
    FCTL3 = FWKEY + LOCK;                       // Set Lock bit  
}

这个和上面给出的流程一样，参数是要被擦除的段的首地址。WaitForEnable函数等等待BUSY标志变回零即操作完成。

void WaitForEnable()
{
    while((FCTL3 & BUSY) == BUSY);      //Busy
}

写入字节：

void FlashWriteChar(unsigned int addr,char Data)
{
    char *FlashPtr = (char *)addr;              // Segment A pointer
    FCTL1 = FWKEY + WRT;                        // Set WRT bit for write operation
    FCTL3 = FWKEY;                              // Clear Lock bit
    DINT;
    *FlashPtr = Data;                           // Save Data
    WaitForEnable();                            //Busy
    EINT;
    FCTL1 = FWKEY;                              // Clear WRT bit
    FCTL3 = FWKEY + LOCK;                       // Set LOCK bit
}

写入字：

void FlashWriteWord(unsigned int addr,unsigned int Data)
{
    unsigned int *FlashPtr = (unsigned int *)addr;
    FCTL1 = FWKEY + WRT;                        // Set WRT bit for write operation
    FCTL3 = FWKEY;                              // Clear Lock bit
    DINT;
    *FlashPtr = Data;                           // Save Data
    WaitForEnable();                            //Busy
    EINT;
    FCTL1 = FWKEY;                              // Clear WRT bit
    FCTL3 = FWKEY + LOCK;                       // Set LOCK bit
}

写入字或字节两个函数差别仅仅是指针类型不同。

读取字或字节：

char FlashReadChar(unsigned int Addr)
{ 
    char Data;
    char *FlashPtr = (char *) Addr; 
    Data = *FlashPtr;
    return(Data);
}

unsigned int FlashReadWord(unsigned int Addr)
{ 
    unsigned int Data;
    unsigned int *FlashPtr = (unsigned int *)Addr; 
    Data = *FlashPtr;
    return(Data);
} 这两个函数的差别也是仅仅指针类型不同。

这些函数和前面硬件介绍部分的程序流程相同，这里不再详细说明。

使用示例：

使用方法和之前的一样，工程中加入C文件，源代码文件中文件包含H文件，即可使用，具体参考示例项目：

演示主要程序主要如下：

#include 
#include "Flash.h"

int a;
void main( void )
{
    // Stop watchdog timer to prevent time out reset
    WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
    ClkInit();
    FlashInit();
    FlashWriteChar(InfoB,0x25);
    a=FlashReadChar (InfoB);        //InfoB在H文件中有宏定义
    FlashWriteWord(InfoB+2,0x5669);
    a = FlashReadWord(InfoB+2);
    FlashErase(InfoB);
    LPM0;
}这里向InfoB(1000h)首地址开始写数据，先写一个字节 再写入一个字（注意写入字时，必须是偶数地址，奇数地址会写在这个地址所在的前一个偶数地址），读出，然后擦除。这里的程序都是在Flash中运行的，没有演示RAM中运行的程序。如果在RAM运行程序，则需要先把程序从Flash中移到RAM中，然后跳转到RAM中运行。

调试截图如下：

调试时，view-Memory菜单，调出存储器窗口；观察Flash内容。

这里写入的是Info Flash部分，观察这部分的结果，和写入的结果同。

Flash程序控制器的程序就到这儿了。Flash可以用于存储长期保存的数据。
编辑：hfy

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