目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。在一個單片機系統(tǒng)中，往往要求系統(tǒng)能夠為用戶保存一些參數(shù)或數(shù)值。這些數(shù)據(jù)被要求在系統(tǒng)斷電后不會“消 失”，并在下一次開機后能夠被讀取和修改。

高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。隨著單片機內(nèi)部集成功能的不斷增加，使用片外數(shù)據(jù)存儲器的做法逐漸被含有片內(nèi)可擦寫存儲單元的單片機所 取代。早期用戶可將需要保存的數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)Flash內(nèi)，但這種做法對Flash內(nèi)程序代碼乃至整個系統(tǒng)存在安全隱隱患，在片內(nèi)集成獨立的數(shù)據(jù)存儲區(qū)成了單片機芯片設計的必然趨勢。例如Atmel 公司在AVR 系列單片機產(chǎn)品中，就融入了先進的E2PROM 電可擦除技術，使該公司的單片機具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結構、性能和功能等方面都有明顯 的優(yōu)勢。EEPROM （Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），電可擦可編程只讀存儲器，一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。EEPROM可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。但不管是將數(shù)據(jù)保存在Flash內(nèi)還是保存在E2PROM內(nèi)，都存在一個存儲單元可擦寫次數(shù)的上限。通常芯片廠家標明的是1 000 000次以上；而對于單片機系統(tǒng)的設計者來說，有部分保存在E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運行過程中是需要被頻繁擦寫的。當存放這些數(shù)據(jù)的片內(nèi)存儲單元達到擦寫次數(shù)上限時，這個存儲單元就不能再使用了，從而會導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

EEPROM是可用戶更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當計算機在使用的時候是可頻繁地重編程的， EEPROM的壽命是一個很重要的設計考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。EEPROM常用在接口卡中，用來存放硬件設置數(shù)據(jù)，也常用在防止軟件非法拷貝的"硬件鎖"上面。

另外，單片機內(nèi)部的E2PROM空間相對于有待保存的數(shù)據(jù)量來說是有很大富余的。也就是說，當單片機由于內(nèi)部 E2PROM擦寫次數(shù)超過極限而不能正常工作時，片內(nèi)仍然有較多的E2PROM空間沒有被利用過，因而產(chǎn)生單片機內(nèi)部資源的極大浪費。

本文以AVR系列單片機中的ATmega8（ATmega8是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機，是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結構的8位單片機，它承襲了AT90所具有的特點，并在AT90的基礎上，增加了更多的接口功能，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善）為例，從程序設計角度出發(fā)，提出一種切實可行的E2PROM數(shù)據(jù)存儲策略，最大限度地提高片內(nèi)E2PROM空間的利用率，從而解決上面提到的問題。

1、基本原理

由EPROM操作的不便，后來出的主板上BIOS ROM芯片大部分都采用EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）。EEPROM的擦除不需要借助于其它設備，它是以電子信號來修改其內(nèi)容的 ，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛。EPROM在寫入數(shù)據(jù)時，仍要利用一定的編程電壓，此時，只需用廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫內(nèi) 容，所以，它屬于雙電壓芯片。借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級時，把 跳線開關打至“ON”的位置，即給芯片加上相應的編程電壓，就可以方便地升級；平時使用時，則把跳線開關打至“OFF”的位置，防止CIH類的病毒對BIOS芯片的非法修改。所以，至今仍有不少主板采用EEPROM作為BIOS芯片并作為自己主板的一大特色。

2、E2PROM數(shù)據(jù)動態(tài)存儲的基本要求

一般，把數(shù)據(jù)存儲方式設定為靜態(tài)，即為固定的地址指定惟一的變量，任何時候讀取和改寫此地址內(nèi)數(shù)據(jù)的操作均視為對該變量的讀取和改寫。然而這樣的存儲方式若被用于E2PROM 內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲，當E2PROM 的某一單元因過量擦寫而失效后，這個固定地址內(nèi)所存放的變量就失去了有效的對應物理空間，這是在做E2PROM 數(shù)據(jù)存儲時不愿意看到的。

解決上述問題的有效方法是對E2PROM 數(shù)據(jù)實行動態(tài)存儲。其基本要求和目標是：

① 在整個系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，使E2PROM 空間得到最大利用；

② 系統(tǒng)能夠辨別不能使用的E2PROM 單元，從而保障數(shù)據(jù)安全。

3、策略分析

為方便敘述，將整個E2PROM空間分為以下幾個部分：統(tǒng)稱已經(jīng)分配給用戶使用的地址連續(xù)的E2PROM區(qū)域為“占用塊”；稱未曾分配的地址連續(xù)的E2PROM區(qū)域為“可利用塊”或“空閑塊”。另外，為記錄占用塊的使用情況，還要在E2PROM內(nèi)劃定一個地址連續(xù)的區(qū)域作為“目錄表”。這個目錄表記錄的是占用塊中實際占用空間的地址。與此對應的，占用塊中另外的部分就是廢棄空間（單元） 。

采取這樣的策略，在高地址的空閑塊中先放入目錄表。該目錄表的大小決定于占用塊中實際占用單元的多少，目錄表記錄實際占用單元的地址；占用塊從低地址的空閑塊開始分配，系統(tǒng)不再回收已經(jīng)分配的占用塊，一直到占用塊中出現(xiàn)廢棄單元，系統(tǒng)就為其把現(xiàn)有的占用塊擴大，同時修改目錄表中的相關地址信息。

在系統(tǒng)運行初期，如果地址信息與數(shù)據(jù)信息同類型，那么占用塊和目錄表所占空間大小是一樣的，且目錄表是一個低地址的序列。如圖1所示，如果單片機內(nèi)有N個E2PROM 存儲單元內(nèi)，則在高地址開辟一個目錄表空間，記錄m個實際占用單元的地址，即0，1 ，2 ， …，m-1 。

當系統(tǒng)運行到一定時間后，占用塊中的某一個單元會因為E2PROM 數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)超過限次而失效被廢棄，不妨假設這個單元地址是002H，那么系統(tǒng)就開始查找當前目錄表中所記錄的最大地址值，如圖2所示。這個最大地址值加1，便是為廢棄單元在空閑塊重新分配單元的地址，這里是（m-1）+1 = m。同時，目錄表所記錄的該內(nèi)容的地址也做出相應修改。

可以預想的是，接著系統(tǒng)在一定時間后，會出現(xiàn)第2個廢棄單元，假設這個單元地址是000H。依次類推，如圖3所示，系統(tǒng)會為D0分配地址m+1 所指向的空間，同時目錄表內(nèi)原先表示D0所在的地址值會被更改為m+1 。

隨著E2PROM內(nèi)廢棄單元的逐漸增加，空閑塊的大小不斷縮小。當出現(xiàn)新的廢棄單元而沒有空閑塊可以利用時，系統(tǒng)會出現(xiàn)故障。采用這樣的策略后，相對于首次出現(xiàn)廢棄單元系統(tǒng)便被摧毀來說，實際上這個出現(xiàn)故障的時間已經(jīng)被大大延緩了。

設Di在固定E2PROM 單元可存放的壽命為ti。這個值與系統(tǒng)中要求Di被修改的平均次數(shù)有關，其中i = 0，1，2， …， m - 1。

4、實現(xiàn)流程

圖4 為實現(xiàn)上述策略的程序流程。

在每一次E2PROM數(shù)據(jù)存儲的過程中，首先都需要從目錄表中查找該數(shù)據(jù)在占用塊內(nèi)的地址add【i］，然后將新數(shù)據(jù)D［i］寫入該地址。單從算法的角度考慮，認為不存在寫失敗或讀失敗的情況，那么隨后將寫好的數(shù)據(jù)再讀出，通過驗證數(shù)據(jù)的正確性就可以判別該占用單元是不是應該廢棄。如果驗證通過，修改操作完成；如果驗證沒有通過，則廢棄該地址空間，并通過查詢目錄表，向后開辟新的占用單元，之后重復存儲過程。

5、示例

AVR單片機在片內(nèi)集成了可以擦寫1 000 000次的E2PROM數(shù)據(jù)存儲器，用于保存系統(tǒng)的設定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)保存，方便使用，減少系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。下面以AVR系列中的ATmega8為例，介紹上述的E2PROM動態(tài)存儲策略的C語言程序?qū)崿F(xiàn)。

6、結語

集成獨立E2 PROM 數(shù)據(jù)存儲器是單片機設計的必然發(fā)展趨勢。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，對于單片機的用戶來說，怎樣更合理、更科學地利用好單片機的這些內(nèi)部資源，是極其重要也是需要不斷地探索和總結的。