MCU(微控制器)在過去幾十年里在CPU性能、通信接口、模數和數模外設、內存大小及讀寫次數等方面呈指數發展。我們專注于帶有非易失性嵌入式存儲器的MCU(我們在USB閃存驅動器、存儲器等內擁有閃存)，從首批帶有一次性編程(OTP)的器件到EPROM(電可編程只讀存儲器)，再到EEPROM (在方程中增加了“可擦”一詞，能夠在不需要紫外線燈的情況下擦除它)，到現在的嵌入式閃存(在某些情況下稱為Flash EEPROM)，這是目前最常用的閃存。
EEPROM和Flash在概念上類似，兩者都是可電擦除和寫入的存儲器，但是它們之間也存在某些差異。最初Flash只能在大數據塊上寫入，但是現在兩者比較接近了，一個單字節、詞或雙詞都可以寫入，取決于架構是支持8位、16位還是32位寫入操作，是否需要與偶數地址對齊，因此主要的區別是擦除過程。EEPROM的擦除大小很小(在大多數情況下，只能擦除一個單字節)，而Flash需要在大扇區中(在某些情況下為數據塊或頁面)擦除，而且還取決于所使用的器件，扇區可以是幾個字節或是幾千個字節。
Flash受歡迎主要有兩個原因：一是隨著扇區的增加，其擦除流程與典型的EEPROM相比，速度更快。使用EEPROM工作時，擦除過程很慢，通常一個字節以ms為單位。盡管Flash的擦除時間大致相同，但是它適用于擦除整個扇區。這樣，減少了對設備進行編程的時間，因此也減少了制造流程所需的時間。另一個原因是Flash存儲器的造價低于EEPROM，因此構建有許多Flash存儲器的MCU可實現更高的成本效益。
帶有嵌入式閃存的MCU支持系統內編程。這意味著MCU可以在用于最終應用的印刷電路板(PCB)上進行編程。在某些情況下，需要增加一些額外電路，以進入或退出編程模式，但是能夠在不移除設備的情況下進行或先在套接字中進行編程是值得的，這意味著即使軟件開發沒有完成，板卡也能夠完全填充。還可以在原始版本出來后升級軟件而不更改硬件，從而加快面市速度，因為基于OTP或ROM的設備需要完整的軟件版本才能夠推出。
演進的下一步是向MCU的Flash存儲器添加自編程功能，允許MCU在運行時執行寫入/擦除操作。這樣會帶來兩大好處：一是代碼本身可以包含再次對整個應用進行編程的例程，允許通過外設進行遠程更新(這些通常稱為引導程序，所使用的外設通常是串行接口)，因此具有很高的靈活性，能夠在安裝后更新設計;二是能夠在運行時存儲非易失性數據，如空調的溫度或電視上編程后的頻道。
Flash自編程
下面闡述了在沒有雙閃存陣列的情況下如何在系統中和運行時寫入閃存。
要在運行時進行寫入和擦除流程，則需要對任何一側施加較高電壓或清除各個位。當對Flash庫施加高電壓時，無法讀取整個存儲器，因此有兩種典型的替代方案讓系統保持工作：一種是其它存儲器運行寫入/擦除(通常是RAM)Flash的代碼，第二種方法是在執行Flash操作時，為CPU提供一種拖延代碼執行的方法。
這兩種方法都另有一個限制：由于中斷矢量通常位于Flash存儲器，因此在執行Flash命令時需要禁用中斷功能，因為CPU在那段時間無法讀取Flash，而且在需要時，也不能獲取中斷矢量。在使用I2C、UART或USB等串行外設運行的系統中，這些外設可以每秒數kB(如UART或I2C總線)或每秒數MB(如USB)的速率交流信息;禁用中斷功能幾毫秒便可能導致丟失大量信息。因此，系統需要設計成在修改Flash時允許停止這些串行通信，然后當中斷功能再次啟用時，恢復所有信息。
雙組Flash實施方案
雙組Flash意味著同一器件中有兩個不同的Flash塊。本文從這里開始以飛思卡爾MC9S08MM128 MCU為例進行闡述。該器件擁有128kB的Flash存儲器，分成兩個64kB的陣列。上一章解釋過在寫入或擦除Flash的這段時間，整個Flash塊都不能讀取。提到有兩種替代方法來執行Flash操作：CPU拖延或從RAM運行。同一邏輯適用于一個雙組Flash，但是由于現在有兩個不同的組，因此代碼可以在Flash A中運行以寫入或擦除Flash B，反之亦然。
當使用非易失性存儲器來存儲變量時，雙組Flash可以設計為將所有非易失性變量都存儲在一個Flash組中，即：一個塊用作偽EEPROM，代碼在另一個組中。例如，所有數據都將存儲在Flash B中，寫入和擦除存儲器的代碼將在Flash A中，以便更加高效地使用RAM和堆棧。在雙組Flash MCU中也不需要CPU 拖延。系統可以保持運行，因為只有一半的存儲器需要高電壓，另一半可以繼續正常的代碼執行。當構建應用來避免阻塞代碼時，這尤為重要(代碼的各部分，要么停止CPU，或在環路等待事件發生以繼續代碼執行，在這種情況下等待Flash命令完成)。
將數據保存在Flash B中的另一個好處是不需要禁用中斷功能，因為中斷矢量表是Flash A的一部分。這意味著所有串行通信、模數轉換、定時器等都可以保持運行，啟用中斷功能，代碼可以在命令執行的過程中進行跳轉，提取中斷矢量，執行中斷服務例程，并返回，以驗證Flash操作是否完成，以及是否需要啟動新操作。
另外一個特點是向執行整個設計遠程升級的應用添加故障容忍功能。可以將新項目版本保存在一個Flash組中，在另一個組中作為備份進行保存。一旦上傳了新版本并通過了驗證，那么以前的版本便可以擦除。在系統設計級，可以總是使用Flash A在Flash B中寫入新版本，反之亦然。這樣，即使在更新過程中發生了故障，也不會丟失工作版本。
EEPROM仿真
使用Flash存儲非易失性信息的一個限制是字節必須處于已擦除狀態(所有位都設為邏輯“1”)才能夠寫入。這意味著擦除操作將所有位都從扇區轉換為“1”，而寫入操作將某些或全部位都改為“0”。這樣產生的問題是，如果一個變量發生了改變，需要進行非易失性備份，那么首先需要擦除字節，但是由于Flash不能逐個字節擦除，因此需要擦除整個扇區。
執行EEPROM仿真的例程旨在使用Flash而不是單字節寫入和擦除功能來提供EEPROM功能。一般做法是使用需要存儲在Flash中的所有變量創建一個結構;該結構添加一個字段，指示該扇區是否活動(這應該是寫入的最后一個字節，以驗證所有數據是否已經正確寫入)。當需要在Flash中更新某些信息時，復制整個結構。每當字節改變時都進行非易失性更新，或根據定時器持續進行備份作為應用執行的一部分。
根據應用類型，可能進行某些改變，以減少執行EEPROM仿真或增加系統強勁性所需的Flash容量。例如，如果使用一個Flash扇區，非易失性結構將寫入同一扇區，只要適合扇區大小，能寫入多少次就寫多少次(因此，建議結構大小適合扇區內的準確次數，通常是兩種大小的功率)。在Flash扇區填滿后，代碼需要擦除扇區并重新開始。這種方法的好處是只使用一個Flash扇區，限制是如果在扇區擦除步驟發生斷電，那么所有信息都會丟失。另外，Flash耐用性也將加倍。
另一種方法是使用兩個扇區進行EEPROM仿真。只有在把信息寫入新扇區后才擦除一個扇區，因此在Flash中總是有信息的有效副本，從而更加強韌，能夠確保即使在擦除或寫入過程中發生掉電，信息也不會丟失，還增加了存儲非易失性信息所需的Flash容量。根據應用要求來確定應該使用哪種方法。
案例研究： 如何在飛思卡爾S08系列中寫入/擦除Flash
在S08系列中執行寫入或擦除操作的步驟與此類似。如果要獨立進行寫入、突發寫入、擦除或整體擦除，第一步是用一些數據寫入Flash位置(區別在于如果命令是擦除或整體擦除，那么所寫入的數據是沒有影響的)。之后，寄存器FCMD(Flash命令)需要寫入要執行的操作，然后在Flash狀態寄存器中寫入一個位來下發命令，代碼需要檢查下發的Flash命令是否會產生錯誤。在單組Flash部署中，代碼需要等待設置Flash命令完成標志，以便它可以返回正常的代碼執行，對于雙組Flash，在檢查了下發Flash命令沒有導致錯誤產生后將立即返回執行其它代碼部分。建議在下發新命令前，代碼總是檢查以前的命令是否已經完成，以避免潛在的問題。
下面的文本框是關于如何為MCU部署Flash命令的代碼示例。
#define Flash_Busy() FSTAT_FCCF
#define EraseSectorFlashB(Addr) FlashB_Command(Addr, 0xff, FLASH_ERASE_CMD)
#define WriteByteFlashB(Addr, Data) FlashB_Command(Addr, Data, FLASH_PROGRAM_CMD)
void main(void)
{
unsigned char FlashErasedAddress = 0x4000;
unsigned char FlashWrittenAddress = 0x4000;
unsigned char FlashWrittenData = 'A';
if (!Flash_Busy())
{
EraseSectorFlashB(FlashErasedAddress);
}
if (!Flash_Busy())
{
WriteByteFlashB(FlashWrittenAddress, FlashWrittenData);
}
對于雙組Flash：
本節顯示了Flash B部分主要文件調用擦除和單字節寫入例程的典型實施方案。宏定義允許為兩種目的使用相同的例程，因為這兩種操作非常相似。下面是一種推薦的寫入/擦除Flash例程的部署方法。
#pragma CODE_SEG FLASH_A
unsigned char FlashB_Command(unsigned int FlashAddress, unsigned char FlashData, unsigned char Command)
{
/* Write Data into Flash*/
(*(volatile unsigned char *)(FlashAddress)) = FlashData;
/* Write Command */
FCMD = Command;
/* Launch command by setting FSTAT.FCBEF to 1 */
FSTAT = 0x80;
/* Wait at least 4 cycles to read the Error Flags */
_asm NOP;
_asm NOP;
_asm NOP;
_asm NOP;
/* Check if Flash Access Error or Protection Violation Error are Set */
if (FSTAT & (FSTAT_FACCERR_MASK|FSTAT_FPVIOL_MASK))
{
/* If so, finish the function returning FLASH_ERROR to indicate error */
FlashClearErrorFlags();
return (FLASH_ERROR);
}
/* Return FLASH_OK to indicate that the function executed Ok */
return (FLASH_OK);
}
#pragma CODE_SEG DEFAULT
所有寄存器和位名稱對應于飛思卡爾S08系列MCU中現有的名稱。
結論
飛思卡爾雙組Flash是一個簡單的想法，通過增強性能、避免CPU拖延情況、在代碼執行過程中保持中斷服務例程、不需要把例程復制到RAM，簡化了應用設計。有了這些功能，可以更容易地設計和部署在代碼執行過程中需要寫入或擦除Flash存儲器的最終應用。
引導程序或EEPROM仿真等應用通過考慮正確的存儲器分配并消除一些限制(如在Flash例程執行過程中停止通信外設)，利用該功能，從而提高效率。