小猫爪：S32K3学习笔记08-S32K3之MCAL中的FEE
小猫爪：S32K3学习笔记08-S32K3之MCAL的FEE模块
- 1 前言
- 2 Fls模块
- 3 Fee模块
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- 3.1 存储结构
- 3.2 常见操作步骤
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- 3.2.1 Cluster Scan
- 3.2.2 Block Update
- 3.2.3 Read Block Data
- 3.2.4 Cluter swap
- 3.3 一些小细节
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- 3.3.1 Fee Block Always Available
- 3.3.2 Fee Swap Foreign Blocks Enabled
- 3.3.3 Fee Enable Sector Retirement
- 3.3.4 Fee Immediate Data
- 3.3.5 Fee Virtual Page Size
- 4 发生ECC错误导致的后果
- 5 ECC错误的处理
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- 5.1 Disable Data Flash的ECC中断
- 5.2 Hardfault中断处理
- 5.3 OS任务处理
- END
1 前言
今天来简单说说MCAL中的FEE模块，因为S32K3的FEE模块在MCAL层应该是比较特殊的存在，因为它本身牵扯不到任何的硬件模块，而是一屁股坐在了Fls模块上，它负责发号施令，而Fls层负责累死累活。
2 Fls模块
在了解Fee模块之前得最好先了解一下Fls模块，关于Fls模块的介绍，大家请参照一位资深大佬的文章，文章链接如下：
《AUTOSAR MCAL详解：FLS》，请仔细参考。
3 Fee模块
3.1 存储结构
首先来看一下Cluster group, Cluster, Block, Sector之间的关系：
从图中可以看出，Cluster Group可以理解成是一块大的存储块，然后它又包含若干个Cluster，一个Cluster Group最少有两个Cluster， 其中Cluster可以理解成是模拟EE的滚动大单元，而Block为最小滚动单元。众所周知，FEE就是损失空间来增大使用周期的应用，当我们存数据时，Block为最小存储单元，也为最小滚动单元，当在一个Cluster已经没有空间来创建新的Block时，就会触发Cluster的swap操作，将有效Block复制到下一个Cluster继续滚动，而当前Cluster则会无效。一个Cluster会由多个Flash物理扇区Sector组成，而组成一个Cluster的扇区必须是连续的。
下图显示了一个Cluster的数据结构：
在图中可以看到，一个Cluster由Cluster头，Block头和Block Data组成；其中Cluster头表明了其ID，状态，起始地址和大小；而Block头表明了其ID，状态，长度，起始地址偏移，而每个Block则是指向了其对应的data存储区。这里需要注意的是Invalid Flag，这一部分是没有被使用的，是保留的。至于checksum是用来检测头的数据正确性的，而Block Assignment是给下面的Fee Swap Foreign Blocks功能使用的。
还有一点很容易让人忽略，就是在Fee更新数据的时候，Block头的增长方向是由上而下的，而Data的更新方向其实是自下而上的，最终两者会在中间相遇。
最后总结一下FEE存储数据的原理，首先就是Fee_init会完成Cluster的初始化（如果读取到有效Cluster，则会扫描Block并记录最后一条有效Block；如果没有有效Cluster，则会新建）；当需要写数据时，则会新建一条Block来完成数据的更新，此为Block的滚动。随着Block的累加，当Cluster没有空间创建Block时，则会进行Cluster swap操作，此为Cluster的滚动。
3.2 常见操作步骤
3.2.1 Cluster Scan
在使用Fee模块之前，Fee在初始化操作中会启动Cluster Scan操作，而这个操作就是为了找到有效Cluster，并且找到当前有效Block的地址指针，以及写操作的指针。
- 扫描有效的Cluster，如果扫描到两个及以上的有效Cluster，则取Cluster ID大的那个区域为有效Cluster。
- 依次扫描Block头，同时记录最后一个有效Block头。直到扫描到无Block头的区域，标记写指针地址，并结束扫描。
3.2.2 Block Update
Block Update操作即为Fee_Write操作，它的流程如下：
- 新建Block头
- 写数据到目标地址
- 标记Blcok头为有效
3.2.3 Read Block Data
Read Block Data操作即为Fee_Read操作，它的流程如下：
- 读取Block头
- 读取Block头中的目标地址处的数据
- 读取该Block头的Valid Flag，如果为0x81，则数据有效
3.2.4 Cluter swap
以下四种情况会触发Swap操作：
- 当前Cluster没有空余空间
- FEE初始化操作失败
- Scan发现Header不合法（Checksum有误，未知的Block ID，Blcok与配置的不匹配
- 立即数检查到有已有立即数操作
Swap操作的流程如下：
- 擦除下一个Cluster所在的扇区 (ERASING stage 1)
- 在下一个Cluster所在的扇区中新建Cluster头，不包括Valid Flag(FORMATTING stage 2)
- 将当前Cluster中的最后一个有效Blcok头和所对应的数据复制到新Cluster中(COPYING stage 3)
- 写新Cluster头中的Valid Flag，标记新Cluster为有效 (ACTIVE stage 4)
- 在新的Cluster完成Fee读写操作(UPDATING stage 5)
下表显示了在swap的5个阶段，新老Cluster的状态变化：
3.3 一些小细节
在配置MCAL的时候，会有一些选项让人很迷惑，接下来看看有哪些选项需要注意。
3.3.1 Fee Block Always Available
这个选项是什么意思呢？如果你在更新数据的时候，一些出乎意料的破坏性事件，比如掉电，异常等，导致最后一步的valid flag没有标记成功，那么当上电去扫描Blcok的时候，则会受到这个选项影响。
- 如果OFF，当扫描到无效Block头时，即该Block头Valid flag无效，则Fee会认定该数据无效，会重新初始化该数据。
- 如果ON，当扫描到无效Block头时，即该Block头Valid flag无效，则Fee会查找历史Block，找到历史数据。
3.3.2 Fee Swap Foreign Blocks Enabled
这个功能是为了两个应用会访问同一个Cluster的场景而设计的，比如Bootloader和APP都得访问一个Cluster，那么就可以通过这个来实现。
如果使能这个功能，就可以在每个Block的配置中配置其的归属权限，其中SHARD即为Bootloader和APP都可以访问。如下图：
这个功能会增加Cluster Swap的时间。
3.3.3 Fee Enable Sector Retirement
这个功能则是实现了Fee的坏块管理功能，而Fee Sector Erase Retries (0 -> 255) 则可指定尝试读取的次数，一当读取失败的次数超过了这个值，则Fee会标记这个Sector为坏块。下次读写Block时，则会自动跳过坏块。
3.3.4 Fee Immediate Data
这个功能是为了避免一种情况而设计的。就是在更新Block的时候，发现当前Cluster没有空间了，这个时候就会触发Cluster Swap功能，这就导致了整个更新Block的时间过长。而这个功能其实就是在Cluster中预留一块空间，而这块空间能够容纳一条所有的Immediate Block。 写block时，当发现当前Cluster的空间不够时，则会将新的Block写到这个预留空间里，随后调用一个检测函数（Fee_EraseImmediateBlock）去检测，如果一旦检测到预留空间被使用了，则触发Cluster Swap。这样做的意义就是将Fee Write操作与Fee Swap操作分离，让Fee Write操作快速完成。
下图中的这个选项，暂时无用，不勾选。
3.3.5 Fee Virtual Page Size
这个选项非常重要，决定了Block data的最小操作单元，举个例子，如果将一个Block的大小设置为8个字节，那么在flash中，一个Block的data部分不只是会占用8个字节，而是会占32个字节。默认最小设置成32个字节，因为这跟ECC检测字长有关。
4 发生ECC错误导致的后果
因为Fee操作的对象是FLASH， 所以如果Fee在写flash的时候被事件打断则很容易造成FLASH出现ECC错误。那么一旦Fee操作时被打断（如断电），Flash发生了ECC错误，那么在下次重启，会对系统造成什么样的影响呢？
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ECC错误发生在Cluster头处
如果Fee在写Cluster头时，发生了ECC错误，则会导致整个Custer无效，当Fee扫描Cluster时，会直接擦除整个Custer区域。 -
ECC错误发生在Block头和Valid Flag处
如果Fee在写Block头或者Valid Flag时，发生了ECC错误，使得Block头或者Valid Flag数据错误，则会在上电初始化的时候，则会标记当前Cluster无效，在下次进行Block写操作的时候，直接触发Swap操作，直接抛弃当前的Cluster。不仅仅是ECC错误，如果Block不合法（Checksum有误，未知的Block ID，Blcok与配置的不匹配），同样会触发Swap。 -
ECC错误发生在Data区域处
如果ECC错误出现在data区，而其对应的Block头是有效的，这对整个Fee状态机没有任何影响。唯一的影响只是会丢失当前的这一个数据，而历史数据是可以保留的。
5 ECC错误的处理
在Fee操作Data Flash的期间，如果发生了ECC错误，那么针对这种情况，MCU如何去救急呢？下面列出三种解决方案。
5.1 Disable Data Flash的ECC中断
S32K3片上是有Code flash和Data flash两块flash的，而它们两者如果出现ECC错误的话，都可以导致S32K3进入Hardfault中断，但是这个中间过程有个区别，如下图：
Code flash发生ECC错误导致HardFault只需要经过一个开关，而Data flash发生ECC错误导致HardFault则需要经过两个开关。
这第一个解决方法就是断开其中一个开关Gate-PFCR4[DERR_SUP]，让Data flash即使发生了ECC错误也不会导致K3进入HardFault，当Fee触发初始化或者swap操作时，就会触发擦操作，从而消除ECC错误。
而在MCAL的配置中实现这一点，只需要在Fls模块中使能Fls Data Error Suppression这个选项就可以了。
5.2 Hardfault中断处理
这种方法是建立在打开HardFault中断的基础上的，基本思路就是，当CPU执行操作Flash的指令时触发了HardFault中断，然后在中断中进行相关判断后，强行让CPU跳过这条会触发ECC错误的指令，让CPU从HardFault返回后能继续运行下去。
基本流程图如下：
而在MCAL的配置中实现这一个方法，则需要在Fls模块使能Fls ECC Handling HardfaultHandler这个选项。
另外还需要在HardFault中实现处理代码，除了实现CPU指令的强行跳转外，还需要调用调用函数**Fls_DsiHandler()**来更新Fls的状态机。
下面贴出HardFault处理代码：
（**注：**在代码中，需要获得data_pt ，syndrome_u32 这两个参数，这两个参数可通过K3的ERM模块去获取，我这里为了简单，就直接简单化了，后期通过ERM获取该参数待更新。）
void HardFault_Handler(void)
{
register uint32_t Reg;
uint32_t *LR_Pointer = NULL;
Fls_ExceptionDetailsType ExceptionDetails;
Fls_CompHandlerReturnType res;
__asm volatile ("mov %0, r14\n" : "=r" (Reg) );
if((Re2TM_from_FPS_PSP_to_use_PSP!=Reg)&&(Re2TM_from_nFPS_PSP_to_use_PSP!=Reg))
{
__asm volatile ("MRS %0, msp\n" : "=r" (Reg) );
}
else
{
__asm volatile ("MRS %0, psp\n" : "=r" (Reg) );
}
LR_Pointer =(uint32_t *) (Reg + 0x18 + 0x18);
//第一个0x18指的是在栈内PC与R1之间的偏移，这是固定的
//第二个0x18指的是Hardfault函数为保护现场压栈的大小，可通过观察汇编代码得到PUSH的大小
if(S32_SCB->HFSR)
{
S32_SCB->HFSR = S32_SCB->HFSR;
}
//data_pt 可由ERM得到，这里为了简单
ExceptionDetails.data_pt = S32_SCB->BFAR;
//syndrome 可由ERM得到，这里为了简单
ExceptionDetails.syndrome_u32 = C40_DSI_EXC_SYNDROME;
res = Fls_DsiHandler(&ExceptionDetails);
if(FLS_HANDLED_SKIP == res)
{
*LR_Pointer += 4;
return;
}
else
{
while(1);
}
}
5.3 OS任务处理
这种方法的本质其实就是利用OS的多任务管理功能来处理。基本思路如下图所示：
基本流程为：
- Main Task发起Fee操作
- Fee底层会直接调用一个Callout函数，而这个Callout函数就会调用OS API创建一个新任务Small Task，而在Small Task中完成Fls层的Flash操作，让Main Task与操作Flash相关的代码隔离。
- 如果Small Task在操作Flash时没有发生ECC错误，则操作成功后自动删除Small Task，如果发生了ECC错误，则Small Task被打断并删除，再回到Main Task中进行错误处理。
而在MCAL的配置中实现这一个方法，则需要在Fls模块使能Fls ECC Handling ProtectionHook这个选项。
然后需要定义Fls Read Function Callout函数，如下：
而这个函数是需要用户自己去实现的，其需要实现的功能主要是调用OS API创建一个新任务。而在这个新任务中需要去调用Fls模块的底层函数Fls_ReadEachBlock来完成与Flash相关的操作。
如果在执行Fls_ReadEachBlock发生ECC错误，则客户需要自己调用ProtectionHook()来处理，ProtectionHook()也是需要用户自己去实现的，其中必须要做的事情就是结束Small Task。而用户对于错误的处理，必须要调用函数Fls_DsiHandler()来更新Fls的状态机。