Flash程序存储器保护设计方法与硬件实现装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可靠性设计中Flash程序存储器保护设计方法与硬件实现，利用安全 模式、区域保护和擦写流程控制三种方法结合，来实现Flash程序存储器保护。
【背景技术】
[0002] 目前，汽车上使用的电子产品正逐渐的增多，汽车电子技术的使用对汽车行驶过 程的燃油经济性、操作安全性以及舒适性等方面发挥了非常重要的作用。高可靠性是汽车 半导体芯片区别于消费类芯片的显著特征。Flash程序存储器保护是汽车电子可靠性研究 的重要方面。
[0003] EMI干扰的一个严重后果是对存储数据的破坏，因此保护存储器数据的稳定安全 是提高可靠性的重要技术，一般而言在MCU系统中常用的存储保护方式是ECC和MPU单元； 常使用的存储器保护方法包括还包括非使用空间填充，即用N0P指令，或错误执行指令填 充非使用空间，当程序出错跳到这些区域时，能通过reset系统回到正常工作状态。
[0004] 针对Flash程序存储器保护的实现方法和代价问题，本文提出了一种基于安全模 式、区域保护和擦除及编程流程控制的Flash程序存储器保护设计方法和硬件实现。本发 明的主要贡献是规定了 一种安全模式，在此模式下Flash程序存储器内容不能被非授权 的渠道读取，例如JTAG调试接口，而处于安全区域的Flash程序存储器中的数据程序可 以访问MCU中的任意存储单元；另外，Flash程序存储器存储空间保护部分采用区域保护 的方法，只有对非保护区域的Flash程序存储器存储空间才能进行访问；最后，规定Flash 程序存储器擦除、编程操作的执行过程，只有按照规定的流程，操作才能成功，否则会提示 Access Error〇
【发明内容】
[0005] 本发明涉及一种满足汽车电子可靠性需求的Flash程序存储器保护方案。具体 的，本发明提出了基于安全模式、区域保护、擦除及编程流程控制的Flash程序存储器保护 设计方法和硬件实现。其中，安全模式下，Flash程序存储器中的内容不能被非授权渠道读 取；区域保护（Block Protection)防止了 Flash程序存储器中的数据遭到无意或恶意的篡 改，对Flash程序存储器中非保护区域才能进行擦除、编程的保护；用户必须按照严格的执 行流程进行Flash程序存储器擦除、编程，才能成功的完成Flash程序存储器擦除、编程操 作。
[0006] 首先，本发明规定了一种安全模式，在此模式下Flash程序存储器中的内容不能 被非授权的渠道读取，例如JTAG调试接口；而处于安全区域的Flash程序存储器中的数据 程序可以访问MCU中的任意存储单元。任何非安全区域的程序对Flash程序存储器的读 写操作均会被忽略（读取为〇,写入忽略）。安全模式有FPR0T寄存器中的SEC[1:0]位决 定，在复位后该寄存器的内容会被NVRI中的寄存器内容覆盖，该寄存器的内容不能由用户 程序写入或修改。SEC[1:0] =2'bl0的状态为非安全状态，其余状态均为安全状态。JTAG 接口在芯片处于运行状态且为安全状态时，不允许进入到调试状态。在安全模式下，只有在 复位的同时将P3. 7/DEBUG管脚置于低才能将系统置于调试状态。用户可以通过两种方式 解除或暂时解除安全模式：
[0007] (1)解密密钥
[0008] 用户可以通过外设接口连续输入8个字节的密钥，并将其连续写入FKEY寄存器， 这些密钥将会与Flash程序存储器中的Comparison Key进行比较，如果吻合，SEC[1:0]变 为2' blO,则会暂时解除安全状态，直至下一次复位。
[0009] 如果FPR0T寄存器中的KEYEN为1，则上述机制可行，如果为0,则系统不允许密钥 解除安全模式的机制。Comparison Key以及SEC的设定，均位于Flash程序存储器的保护 区域内，如果区域保护机制开启，则以上内容除非被全芯片擦除，否则均不能被修改。
[0010] ⑵重新编程
[0011] 系统通过进入调试模式，修改FPR0T，取消区域保护机制；之后，通过JTAG接口进 行全芯片擦除；通过JTAG进行重新编程，烧入Bootloader、NVRI、NVRII以及Comparison Key，其中SEC可以根据用户需求设置为2' blO状态。
[0012] 其次，本发明规定了一种区域保护的具体方案，通过寄存器设置配置Flash程序 存储器受保护区域。在有Flash程序存储器访问权限之后，区域保护为Flash程序存储器 特定区域提供进一步保护，防止Flash程序存储器中的数据遭到无意或恶意的篡改区域保 护，只能对非受保护区域才能进行有效擦除、编程操作。这些保护区域由FPR0T寄存器决 定，该寄存器在复位后由Flash程序存储器的NVRII复制到SFR的寄存器地址空间。FPR0T 不能被用户程序修改，它是只读不可写的寄存器。NVRII寄存器位于Flash程序存储器存储 器中的最后一个扇区（sector)，如果Flash程序存储器中的任意一个区域被保护，则NVRII 本身也被保护起来。想要修改区域保护模式的方法仅有一种：通过JTAG方式访问FPR0T寄 存器，将其修改为全部Flash程序存储器均不受保护，之后通过JTAG擦除全部Flash程序 存储器，重新通过JTAG接口烧写bootloader、NVRI、NVRII以及comparison key。区域保 护可以用来保护bootloader程序以及用户的关键数据信息。
[0013] 最后，本发明提出了一种对Flash程序存储器的操作控制，用户必须按照严格的 操作才能成功的进行Flash程序存储器擦写、编程操作。请参阅图1，该图描述了 Flash程 序存储器的编程命令Byte Program以及擦写命令Sector erase和Mass Erase，这些命令 执行过程如下：
[0014] (1)首先写入FCLK寄存器，该寄存器在任何复位之后都要进行初始化，且仅允许 设置一次，该寄存器决定了 Flash程序存储器进行擦除和编程时所使用的时钟频率，需要 根据不同的总线时钟将Flash程序存储器时钟频率限制在700kHz-800kHz范围内。
[0015] (2)首先清除任意错误信号FPVI0L和FACCE，方法是直接写入1 ;判断FSTATUS寄 存器中FCBEF是否为1，如果为1，说明指令队列空，则首先写入FCMD命令，该命令只能为指 定的某些指令；
[0016] (3)将要编程的数据写入FDATA，如果要执行擦除操作，则该寄存器内容可以为任 意值；
[0017] (4)将地址以此写入FLADDR、FHADDR，并将FADDR[16]写入FSTATUS寄存器，如果 是擦除操作，该地址可以为扇区的任意地址（Sector Erase)或全Flash程序存储器的任意 地址（Mass Erase);
[0018] (5)将FCBEF写入1，清除标志位，此时Flash程序存储器正式开始操作；
[0019] (6)等待并读取FSTATUS寄存器，判断是否有保护区域擦除违例（FPVI0L为1)或 Flash程序存储器操作违例（FACCE为1)，如果发生以上错误则需要重新开始本次操作；
[0020] (7)如果FCCF为1，表明操作完成。该标志位在下一次写入FCMD之后自动清零。
[0021] 为了提高Flash程序存储器编程的速度，提供了猝发模式编程（Burst Program) 命令，执行猝发编程的条件有两个：
[0022] (1)系统需要在FCCF为1前，并在FCBEF为1后写入命令，可以连续进行编程操 作；
[0023] (2)下一个执行burst program的地址与当前执行操作地址相邻，且位于同一个 Flash程序存储器Row，即仅有低8位地址不同，高9位地址相同。一个Flash程序存储器 Row包含256字节。
[0024] 如果以上条件均满足，贝采用Burst Program可以大幅缩小编程时间。如果Burst program的下一个地址为不同的Row，则编程时间为普通的单字节编程时间，而后续字节编 程为猝发模式，时间大量减少。
[0025] 猝发连续编程的具体流程为：
[0026] (1)写入命令、地址、数据后，将FCBEF清零，开始进行burst program ;
[0027] (2)在FCCF为1前，并在FCBEF为1后，写入新的数据，并再次将FCBEF清零，系统 地址自动加1 ;
[0028] (3)当FCCF为1前，如果系统不再将FCBEF清0,则系统burst program结束。
[0029] 以下情况视为Flash程序存储器存储器的访问错误（Access Error):在Flash程 序存储器状态命令寄存器空闲标志FCBEF为1之前，写入地址、数据或命令；在命令寄存器 中写入了非法指令；MCU进入IDLE或者STOP状态时，有编程或者擦写操作正在执行（同时 操作放弃）。
[0030] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0031] 1、本发明提供的用于Flash程序存储器保护的设计方法，分别从存储空间、擦写 流程、模式不同的角度，在并不增加 Flash程序存储器存储码元位，没有复杂的编解码单 元，通过区域保护、流程控制、安全模式协同作用，以较小的代价完成Flash程序存储器的 保护。
[0032] 2、本发明提供的区域保护功能，具有可配置性，可选择Flash程序存储器全部区 域被保护，也可通过寄存器配置具体Flash程序存储器某个区域被保护。
[0033] 3、本发明提供的编程流程控制Byte Program以及擦除命令Sector erase和Mass Erase流程控制，严格控制了擦写过程的有效性，对于无意或有意篡改Flash程序存储器数 据内容，有高效的保护作用；为了提高Flash程序存储器编程的速度，提供了猝发模式编程 (Burst Program)命令，及其执行流程。
[0034] 4、本发明提供的安全模式机制，给Flash程序存储器提供的一个外在保护屏障， 是打开Flash程序存储器的钥匙，用简单的操作以及结构实现的Flash程序存储器的第一 层保护。
[0035] 5、本发明提供的这种Flash程序存储器保护设计方法，可广泛地应用于微控制器 尤其是对可靠性要求高的应用领域的存储器保护。
【附图说明】
[0036] 图1解除安全模式两种方式；
[0037] 图2区域保护寄存器设置与对应保护区域；
[0038] 图3擦除、编程执行过程。