MC68HC908JL8MCU 的一種Flash失效現(xiàn)象分析

宋文強(qiáng)，劉昕昀

（工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，廣州510610）

宋文強(qiáng)（碩士研究生），主要從事嵌入式軟件可靠性技術(shù)和FPGA 測(cè)試技術(shù)研究。

引 言

在目前種類繁多的Flash MCU 中，有很多可以自編程，即可以在單片機(jī)（MCU）運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)程序運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，甚至是改變程序本身。具有這種功能的Flash MCU 可以靈活地使用Flash來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線自動(dòng)升級(jí)自己的用戶代碼 （Firmware）。MC68HC908JL8［1］（以下簡(jiǎn)稱JL8）是Freescale公司推出的一款08系列8位MCU，以成熟的Flash存儲(chǔ)技術(shù)取代了05系列的EEPROM，繼承了EEPROM 的可再編程特性。JL8內(nèi)部有8KB的Flash存儲(chǔ)區(qū)，可用作程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。該Flash 為NOR Flash，程序可直接在Flash上運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM 中，用戶可以在這個(gè)非易失的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)反復(fù)存儲(chǔ)和讀取一個(gè)數(shù)據(jù)集。

由于Flash存儲(chǔ)區(qū)的最小擦除單位是頁(yè)（JL8一頁(yè)有64個(gè)字節(jié)），若數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度小于一頁(yè)，那么每次寫和擦除都不能完全使用該頁(yè)，沒有用到的地方就浪費(fèi)了。但如果是EEPROM 就不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)镋EPROM 可以基于字節(jié)進(jìn)行寫和擦除。JL8為了解決這個(gè)問(wèn)題，在其監(jiān)控ROM 區(qū)內(nèi)提供了EE＿WRITE、EE＿READ 子例程給用戶使用，從而更充分地使用Flash頁(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［2］。

1 Flash擦寫機(jī)制和特性

Freescale公司JL8 MCU 采用Flash 存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，通過(guò)片上內(nèi)置電壓泵，支持在線編程［3－4］。在不需要外接高壓的情況下，通過(guò)指令可實(shí)現(xiàn)Flash空間的擦／寫操作。Flash擦／寫操作的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式：一是用戶自行編寫程序，二是調(diào)用監(jiān)控ROM 中自帶子程序。為防止意外操作，單片機(jī)在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，增加了FLCR（Flash控制寄存器）和FLBPR（Flash塊保護(hù)寄存器）兩個(gè)寄存器，如果要擦／寫Flash，須先打開FLCR和FLBPR相應(yīng)位。用戶編程時(shí)需要控制兩個(gè)寄存器，而使用監(jiān)控ROM 程序，只需設(shè)置FLBPR相應(yīng)位。

JL8 MCU Flash以頁(yè)為單位進(jìn)行擦除，可將“0”全部置為“1”。Flash寫操作與擦除相反，可將“1”置為“0”，但原來(lái)為“0”處不能寫為“1”。所以如果需要用Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，正常操作流程是先擦除再寫。需要注意的是，擦除操作是按頁(yè)進(jìn)行，寫操作沒有限制，可按照字節(jié)進(jìn)行。

JL8 MCU 片內(nèi)Flash可在監(jiān)控模式（Monitor Mode）和用戶模式（User Mode）這兩種模式下在線編程。其中監(jiān)控模式主要用于主機(jī)向單片機(jī)進(jìn)行程序?qū)懭耄话阌糜趯?duì)出廠的空白芯片進(jìn)行編程。JL8 MCU 監(jiān)控ROM 所提供的所有子程序的入口地址和基本功能如表1所列。具體使用方法可參考技術(shù)文檔。

表1 子程序列表

2 失效現(xiàn)象分析

Flash MCU 出現(xiàn)程序改寫，原因可從硬件和軟件兩方面進(jìn)行分析［5］。硬件方面引起程序改寫的機(jī)理主要有：①電源失效；②時(shí)鐘毛刺；③VDD 爬升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。軟件上引起程序改寫機(jī)理主要有：①VDD 監(jiān)視沒有使能，或者VDD監(jiān)視雖然已經(jīng)使能，但沒有被設(shè)置成復(fù)位源，使得當(dāng)供電不正常時(shí)仍然進(jìn)行Flash操作，導(dǎo)致存儲(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常操作；②用戶代碼（Firmware）對(duì)Flash的寫操作不當(dāng)；③PC指針跑飛。硬件引起的Flash MCU 程序改寫出現(xiàn)時(shí)具有隨機(jī)的特征，即出現(xiàn)程序改寫的位置不固定。

在一款家用電器通用壓縮機(jī)控制設(shè)備中，其核心控制單元采用Freescale公司MC68HC908JL8單片機(jī)，用于控制和優(yōu)化壓縮機(jī)，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的開關(guān)控制、壓縮機(jī)性能的提升以及保護(hù)功能。該控制單元程序只對(duì)Flash進(jìn)行讀操作，并無(wú)擦除／寫需求和設(shè)計(jì)。在部分產(chǎn)品出現(xiàn)壓縮機(jī)控制設(shè)備停機(jī)故障后，通過(guò)回讀故障設(shè)備的單片機(jī)存儲(chǔ)Flash后，發(fā)現(xiàn)部分代碼已被改寫。按照改寫Flash分布情況，將失效現(xiàn)象分成兩類：一是復(fù)位中斷向量（＄FFFE～＄FFFF）低字節(jié)（＄FFFF）處部分位被改寫，失效產(chǎn)品數(shù)量較多，達(dá)80%，具體現(xiàn)象是將部分位從“1”改為“0”（有3種情況，分別為FF＞AF，EF＞AF，9F＞8F）；二是用戶Flash空間部分字節(jié)被改寫，這類較少，占20%，具體現(xiàn)象是將連續(xù)64字節(jié)改為0xFF。根據(jù)現(xiàn)象分析，第一類類似于字節(jié)寫操作，由于未進(jìn)行擦除操作，所以只能將“1”改為“0”，且均是試圖將高4位改為“A”；第二類類似于片擦除操作。經(jīng)過(guò)故障整理和分析，由于具有較強(qiáng)意義上的非隨機(jī)特征，可基本排除硬件故障引起的程序改寫。

通過(guò)分析源程序注意到，可能引起Flash程序改寫的軟件原因如下：對(duì)于①，程序已經(jīng)將VDD 監(jiān)視使能，且設(shè)置成復(fù)位源；對(duì)于②，用戶代碼設(shè)計(jì)時(shí)不對(duì)程序Flash進(jìn)行擦除／寫操作，即使異常出現(xiàn)第一類現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)第二類現(xiàn)象，而程序跑飛異常調(diào)用到監(jiān)控ROM 程序可產(chǎn)生上述現(xiàn)象。在下節(jié)中對(duì)第二類失效現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

3 現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

本節(jié)在不修改源代碼的基礎(chǔ)上，在源程序插入少量測(cè)試代碼以復(fù)現(xiàn)上述失效現(xiàn)象，證明在滿足測(cè)試代碼要求的條件下，可實(shí)現(xiàn)同樣的程序失效結(jié)果，僅對(duì)頁(yè)擦除操作進(jìn)行舉例。頁(yè)擦除操作可調(diào)用EraRnge實(shí)現(xiàn)，具體如下：

在軟件運(yùn)行時(shí)，由于外部原因使PC 指針跑飛，跳轉(zhuǎn)到＄FCBE，如果此時(shí)寄存器A 中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（表示地址）指向的地址空間數(shù)據(jù)為20，則將對(duì)Flash進(jìn)行頁(yè)擦除操作。

結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)使用JL8 MCU 自帶監(jiān)控ROM 程序?qū)ζ螰lash進(jìn)行擦／寫等操作的方法和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。MCU 的Flash失效現(xiàn)象和原因很多，這里僅對(duì)軟件引起的Flash程序改寫的案例進(jìn)行了分析。根據(jù)具體現(xiàn)象判定程序改寫是由于程序跑飛或者異常跳轉(zhuǎn)使得程序意外調(diào)用監(jiān)控ROM 程序，為對(duì)Flash進(jìn)行失效分析的廣大研發(fā)和測(cè)試工程師提供一個(gè)失效分析案例和分析思路。

［1］李澤英，肖海橋，余文龍.MCS96 MC68 單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

［2］Motorola.MC68HC908JL8 HCMOS Microcontrollers Unit Technical Data，2002.

［3］徐麗華，王宜懷.MC68HC908JL8MCU 中虛擬 19 16 EEPROM 特性的應(yīng)用及剖析［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（28）：106－108.

［4］王宜懷，王林.MC68HC908GP32 MCU 的Flash存儲(chǔ)器在線編程技術(shù)［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2002（7）：15－19.

［5］邱亮.基于飛思卡爾8位MCU 的集成電路功能失效分析技術(shù)［D］.天津：天津大學(xué)，2007.