文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181928
中文引用格式： 蘇偉，馮曦，周芝梅，等. 非易失性存儲器數據掉電保護的硬件解決方案[J].電子技術應用，2019，45(2)：20-22，26.
英文引用格式： Su Wei，Feng Xi，Zhou Zhimei，et al. Hardware sollution about power fail protective mechanism of non volatile memory[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(2)：20-22，26.
0 引言
非易失性存儲器（NVM）具有數據掉電不丟的特性，因此安全芯片通常用NVM來存儲應用程序、用戶數據和系統文件等。
在安全芯片工作過程中，如果NVM正在進行擦除或編程操作時，因某種原因造成芯片突然掉電，NVM中的數據可能被誤改。由于安全芯片的特殊應用，用戶的關鍵信息，如密鑰、余額等，都存儲于NVM中，如果這些關鍵信息被誤改，可能對用戶造成巨大損失。為了保證用戶信息安全，安全芯片對NVM采取了數據掉電保護機制，該機制能夠保證安全芯片無論何時掉電，再上電時儲于NVM中的數據都是可靠的。
以往對NVM的掉電保護都是由軟件實現的，芯片需要執行幾十條CPU指令才能完成一次數據備份和更新。考慮到軟件執行的效率比較低，本文提出一種硬件實現方案。
1 硬件掉電保護機制
1.1 保護原理
如圖1所示，以Flash為例，在NVM中取一個page word作為備份區，目標區域和備份區域的容量均為一個page word。假定目標區域中已有數據，現在要對其中一個page的數據進行改寫，如將A改寫為B。如果直接對目標區域進行改寫，那么在改寫過程中一旦掉電，很有可能原有數據已被破壞，但是新的數據還未完全寫入，那么目標區域中的數據就是不可靠的，也就是說既不是原始數據也不是新數據，這個結果可能對用戶產生比較嚴重的影響，例如余額被篡改等。為了防止芯片掉電時出現不可靠的數據，可以采用備份的方式對數據進行更新。
當CPU發出寫Flash的操作后，硬件模塊Flash controller將按照下面的步驟進行操作：
(1)將目標區域中的數據全部讀出，將要改寫的部分替換成新的數據再寫入安全芯片的RAM中，如①所示；
(2)將RAM中的數據搬至備份區域，如②所示。當要更新的數據全部寫入備份區，要對剛剛寫入的數據進行完整性校驗，校驗正確則在備份頁的最后一個地址寫入表示正確的標志（特定的32位數），否則寫入表示錯誤的標志（特定的32位數）；
(3)對目標區域執行擦除操作，如③所示；
(4)用與步驟(2)相同的方法將RAM中的數據搬至目標區域，但是不需要設置完整性校驗標志，如④所示；
(5)對備份區域執行擦除操作，如⑤所示。
上述操作過程中，芯片在任何時刻掉電，重新上電后軟件首先讀取備份區域的完整性校驗標志，并根據標志的狀態來判定當前數據是否有效。如果標志為擦除狀態，則認為目標區域的數據無論是舊數據還是新數據均有效，否則需要重新執行上一次的擦寫操作。
1.2 方案存在的問題
該方案可以對Flash數據起到有效的掉電護作用，但是芯片執行一次數據更新需要對Flash進行兩次擦除+兩次編程操作。眾所周之，雖然Flash的編程時間僅為微秒級，但頁擦除的時間比較長，大約需要2~5 ms（依據一次擦除的容量大小決定時間長短），那么一次數據更新操作至少需要4~10 ms，這個操作時間顯然是比較長的，這對于性能要求比較高的應用是不能接受的。
2 乒乓式掉電保護機制
2.1 存儲器分配原則
為了解決操作速度慢的問題，本節提出性能更高的乒乓式掉電數據保護機制。
如圖2所示，在Flash中取兩塊同樣大小的地址空間（仍假定每塊為一個page word），這兩塊空間的對應關系是捆綁的。
以區域1和區域1′為例，雖然它們的物理地址不同，但它們對應的邏輯地址是相同的，也就是說CPU在對這塊邏輯地址進行擦寫時，不需要知道數據究竟寫在了區域1還是區域1′，這完全是由Flash控制器來分配的，在這種操作下區域1和區域1′輪流作為備份區和目標區，也就是說當CPU要對Flash進行第一次更新時，區域1做備份區而區域1′做目標區，第二次更新時區域1′做備份區而區域1做目標區，以此類推。
2.2 乒乓式掉電保護原理
下面具體來看乒乓式掉電保護機制是如果實現掉電保護功能的。
如圖3所示，區域1的最后兩個word地址分別對應cnt1和flag1，其中cnt1表示區域1對應的邏輯地址被更新的次數，flag1表示區域1內除flag1以外的數據是否正確，若正確寫入“32’haaaa”，若錯誤寫入“32’hbbbb”。同樣的，區域1′的最后兩個word地址也對應了具有同樣意義的cnt1′和flag1′。
假定區域1和區域1′的初始狀態均為擦除狀態，乒乓式掉電保護機制的具體操作步驟如下：
(1)有第一次寫需求時，首先擦除區域1，然后將數據寫入區域1，同時把cnt1更新為“1”，表示第1次寫入數據。確認數據正確性后將校驗結果寫入flag1，否則不更新flag1；
(2)有第二次寫需求時，首先擦除區域1′，然后將數據寫入區域1′。接著讀出cnt1，并將cnt1加1得到的值“2”寫入cnt1′，表示第2次寫入數據。確認數據正確后將校驗結果寫入flag2，否則不更新flag1′；
(3)有第三次寫需求時，首先擦除區域1，然后將數據寫入區域1。接著讀出cnt1′，并將cnt1′加1得到的值“3”寫入cnt1，表示第3次寫入數據。確認數據正確性后將校驗結果寫入flag1，否則不更新flag1；
(4)以此類推，之后每一次有更新需求時，輪流擦寫區域1和區域1′。
綜上所述，可以看出正常情況下cnt1和cnt2永遠相差“1”。每次要更新Flash時，都選取cnt值小的那塊區域進行更新，更新后將原來的cnt值+2，得到新的值再寫回，確認數據全部正確后再更新flag。
但是如果擦寫時芯片突然掉電，上述的過程將被打亂。芯片再次上電時，首先分別讀出兩塊存儲器的目標頁和對應備份頁中的全部數據，重新計算flag和flag1，并與存儲于兩塊存儲器中的flag和flag1進行比對。如果flag1和flag1′比對都是一致的，則說明存儲于兩塊存儲器中的flag1和flag1′均正確，那么計數值大的(非擦除值32’hFFFF)那個區域就是最后被更新的數據；如果存在錯誤的flag，至多只能有一個是錯誤的，那么錯誤的flag對應的那塊Flash一定是在更新時發生了掉電，并且掉電發生時正在更新flag又沒更新完，所以導致flag是錯誤的狀態。依據flag和cnt判斷數據有效性如表1所示。
該方案中備份區和目標區是交替使用的，所以每次更新時只需要對一塊區域都進行擦除和更新。那么完成一次數據只需要1次擦除+1次寫，即2~5 ms，與原有方案相比效率提高了一倍。
3 結論
由硬件電路實現的乒乓式掉電保護機制，不但可以有效地防止掉電數據丟失的問題，而且對提高芯片性能有及大的幫助。
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作者信息:
蘇 偉1，2，馮 曦1，2，周芝梅1，2，胡 毅1，2，唐曉柯1，2
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