CN109582230B - 一种基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统 - Google Patents

一种基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于矩阵式索引的数据存取方法，方法包括：在存储器中建立索引矩阵和N个数据存储单元；检测是否接收到数据存储请求信号；如果接收到数据存储请求信号，则根据数据存储请求信号，读取N个索引值，根据N个索引值计算有效索引值，并更新有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；将更新后的索引值写入所述存储器中；检测是否接收到数据读取请求信号；如果接收到数据读取请求信号，则根据数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据N个索引值计算有效索引值，从有效索引值指示的数据存储单元中读取数据；该方法能够降低数据存储的错误率；提高存储器的使用寿命。

Description

一种基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统
技术领域
本发明涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统。
背景技术
单片机，又称微控制器(MCU)，是一种大规模的集成电路芯片，一般集成有负责数据处理功能的中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种输入/输出接口、中断系统、定时器等。
如今，单片机已经被广泛应用于仪器仪表、智能家居、医疗设备、通信设备等智能设备中，而这些智能设备在使用过程中，基本上都需要保存一些配置参数，运行数据、用户数据等，对设备正常运行至关重要要的数据，这些数据依据其重要程度、保存频率、数据量大小等特性，一般都存储在EEPROM或者FLASH中。
EEPROM，带电可擦除可编程非易失性数据存储器，掉电时，其中数据可长期保持不丢失，带点时，可以频繁、反复擦除和编写其中的数据，EEPROM的数据读取操作没有次数限制，但其数据写入操作一般为100万次级别。当EEPROM中，某块存储区的写入次数超过其使用寿命时，将会导致数据写入异常。
FLASH，类似于EEPROM，也是非易失性数据存储器的一种，但是因与EEPROM的生产工艺、制作材料以及工作原理不同，同等容量下，FLASH的价格一般低于EEPROM，且FLASH的数据写入寿命一般在10万次级别。
RAM，随机存储器，是MCU的重要组成部分，一般用于保存程序运行过程中的临时数据，某些情况下也会用来存储程序代码，RAM中的数据在掉电后会消失。
大多数智能设备均需要严格控制其生产成本，因此MCU在执行非易失性数据存储时，需要充分利用智能设备中的EEPROM或者FLASH等存储器的存储空间，而这些存储器均有擦写次数限制，所以MCU也必须保证在智能设备的设计寿命期间，存储器的擦写次数不能超过其限制，此外，MCU在执行数据存储时还需考虑其操作执行时间与执行效率等问题。
目前，在单片机系统中，保存非易失性数据的方法主要有以下两种：
第一，直接式存储：即在指定条件下(如单片机掉电、数据更新等)直接将数据写入存储器的固定地址处，该方法能够最大限度的利用存储器空间，操作极为简单。但是该方法会导致频繁擦写存储器中的某一固定位置，容易导致存储器故障。且只能在数据块中添加错误校验，在数据块发生写入错误时，无法进行数据恢复。
第二，索引式存储：即在存储器中开辟多块数据存储单元，MCU每次执行数据存储操作时，均选择与当前存储单元不同的单元，当前有效数据所在的存储单元由索引值决定，在MCU更新数据块时也必须同时更新索引值。此外，单片机若想要在掉电、上电后还能正确寻址到有效数据块，还需将索引值保存到存储器，为了避免存储器擦写次数限制问题，索引值一般驻留在RAM中，只有单片机掉电和其他条件触发时才写入到存储器。
索引式存储相比直接存储，能在一定程度上规避存储器的擦写次数限制，且可以在数据块中增加校验冗余数据，在存储器中的数据发生错误时，可以通过索引值进行数据恢复，但是需要额外的存储空间来保存索引数据，现有的索引式存储仍有以下缺点：
1、索引值必须在掉电时进行保存，此时单片机依赖外部电容或备份电池提供的电量来进行存储器的擦写操作，当设备使用时间过长，电容或备份电池性能下降时，存储器的擦写过程容易发生错误；
2、当单片机的软件功能扩展，需要存储更多的数据和索引值时，现有的硬件方案可能不足以支撑单片机执行所有的数据及索引擦写操作；
3、索引值保存在存储器中的固定地址，当单片机频繁掉、上电或者索引值保存条件频繁触发时，仍有可能导致存储器因擦写次数过多而造成故障。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的索引存储方式存在的问题，提出一种基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统，能够有效降低数据存储的错误率。
一种基于矩阵式索引的数据存取方法，包括：
在存储器中建立N个数据存储单元；
在存储器中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引储存单元中分别存储有N个索引值；
检测是否接收到数据存储请求信号；
如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；
将更新后的索引值写入所述存储器中；
检测是否接收到数据读取请求信号；
如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
进一步地，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，包括：
计算所述N个索引值的和，并将和值对N取余，余数为所述有效索引值。
进一步地，更新所述有效索引值，包括：
将所述有效索引值加1。
进一步地，更新对应的索引存储单元中的索引值，包括：
将更新后的有效索引值对应的索引存储单元中的索引值加1。
进一步地，所述索引值为无符号整型。
进一步地，更新对应的索引存储单元中的索引值时，判断所述索引值是否越界，如果越界，则将所述索引值归零。
进一步地，读取数据时，如果所述数据存储单元中存在校验冗余信息，则对所述数据进行有效性验证，如果验证失败，则根据所述有效索引值进行数据恢复。
一种基于矩阵式索引的数据存取系统，应用于上述的基于矩阵式索引的数据存取方法，所述数据存取系统包括单片机和存储器，所述单片机用于执行：
在存储器中建立N个数据存储单元；
在存储器中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引储存单元中分别存储有N个索引值；
检测是否接收到数据存储请求信号；
如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；
将更新后的索引值写入所述存储器中；
检测是否接收到数据读取请求信号；
如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
进一步地，所述存储器为FLASH存储器。
进一步地，所述存储器为EEPROM。
本发明提供的基于矩阵式索引的数据存取方法及存取系统，至少包括如下有益效果：
(1)索引和数据同步更新，因此单片机在掉电时无需执行数据保存操作，避免因电压不稳定或者电容、备份电池性能下降时造成的数据写入错误，降低数据存储的错误率，避免因频繁掉电和上电导致的因擦写次数过多造成的故障；
(2)相较于现有的索引存储方式，只增加了若干个索引数据，存储空间占用相对较小，空间利用率相对较高；
(3)数据和索引均使用循环存储的方式，能够有效避免存储器擦写次数限制的问题，提高存储器使用寿命；
(4)配置灵活，可以通过设置索引矩阵的大小，实现存储器空间利用率和擦写次数之间的合理权衡；
(5)软件功能扩展方便，在增加新的数据项时，无需考虑现有的硬件方案是否支持新增数据项存储的能量消耗问题；
(6)算法简单，软件执行速度快，效率高。
附图说明
图1为本发明提供的基于矩阵式索引的数据存取方法一种实施例的流程图。
图2为本发明提供的基于矩阵式索引的数据存取方法中数据存储过程一种实施例的流程图。
图3为本发明提供的基于矩阵式索引的数据存取方法数据读取过程一种实施例的流程图。
图4为本发明提供的基于矩阵式索引的数据存取系统一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参考图1，本实施例提供一种基于矩阵式索引的数据存取方法，包括：
步骤S101，在存储器中建立N个数据存储单元；
步骤S102，在存储器中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引储存单元中分别存储有N个索引值；
步骤S103，检测是否接收到数据存储请求信号；
步骤S104，如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；
步骤S105，将更新后的索引值写入所述存储器中；
步骤S106，检测是否接收到数据读取请求信号；
步骤S107，如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
具体地，本实施例提供的基于矩阵式索引的数据存取方法包括数据的存储和数据的读取。
单片机在存储器中建立N个数据存储单元，同时在存储器中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引储存单元中分别存储有N个索引值。
N的取值越大，存储器的使用寿命越长，但存储空间的占用越大，N越小，存储器的空间利用率越高，但相对地会减少存储器的有效使用寿命，因此在设计时根据产品需求在存储空间利用率和存储器使用寿命之间进行合理的权衡，选择恰当的N值。
数据的存储过程：
参考图2，单片机检测是否接收到数据存储请求信号，如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中。
具体地，读取所述N个索引值之后，计算所述N个索引值的和，并将和值对N取余，余数为所述有效索引值。具体公式如下：
Figure BDA0001872959220000071
Indexreal＝Indexsum％N；
其中，Indexreal为有效索引值，Index(i)为第i个索引值。
进一步地，对有效索引值进行更新：
Index(Indexreal)＝Index(Indexreal)+1；
即将有效索引值加1。
进一步地，更新对应的索引存储单元中的索引值：
将更新后的有效索引值对应的索引存储单元中的索引值加1。
之后，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中。
最后将更新后的索引值写入所述存储器中，单片机在掉电时无需执行数据保存操作，避免了因电压不稳定因素造成的数据写入错误。
作为一种优选的实施方式，所述索引值为无符号整型，因此索引值在累加时可能会发生数据越界的现象，例如当索引值为1 Byte长度的无符号整型且其值为255，此时索引值在进行累加1时，则变成了0，在数据存储操作中，更新索引值时，还需要额外判断索引值是否会发生越界现象，如果是，则将其归零后写入索引矩阵中，且还需根据最新的索引矩阵值来更新有效索引值。
以下通过具体应用对数据的存储过程做进一步说明。
假设索引矩阵包括5个索引单元，初始索引值分别为1、2、3、4、5，如表1所示。
1 2 3 4 5
表1
接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，从存储器中读取该5个索引值，计算有效索引值：
Figure BDA0001872959220000081
Indexreal＝Indexsum％5＝0；
进一步地，对有效索引值进行更新：
Index(Indexreal)＝Index(Indexreal)+1＝1
更新后的有效索引值为1，进一步地，将第一个索引存储单元的值加1，更新后的索引矩阵如表2所示：
2 2 3 4 5
表2
相应地，数据存储单元的数量也为5个，地址分别为1、2、3、4、5，则将待存储数据存入第一个数据存储单元。
之后将更新后的索引值，即第一个索引存储单元中的索引值，存入存储器中，至此完成数据的存储。
数据的读取过程：
参考图3，单片机检测是否接收到数据读取请求信号，如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
具体地，读取存储器中的N个索引值后，计算所述N个索引值的和，并将和值对N取余，余数为所述有效索引值。具体公式如下：
Figure BDA0001872959220000091
Indexreal＝Indexsum％N；
其中，Indexreal为有效索引值，Index(i)为第i个索引值。
之后，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
此外，读取数据时，如果所述数据存储单元中存在校验冗余信息，则对所述数据进行有效性验证，如果验证失败，则说明数据在保存过程在发生了错误，根据所述有效索引值查找到上一次保存的数据，进而进行数据的恢复。
以下通过具体应用对数据的读取过程做进一步说明。
从存储器中读取的索引矩阵如表3所示：
2 2 3 4 5
表1
读取该5个索引值，计算有效索引值：
Figure BDA0001872959220000101
Indexreal＝Indexsum％5＝1
之后，从地址为1的数据存储单元中读取数据，至此完成数据的读取。
本实施例提供的基于矩阵式索引的数据存取方法，至少包括如下有益效果：
(1)索引和数据同步更新，因此单片机在掉电时无需执行数据保存操作，避免因电压不稳定或者电容、备份电池性能下降时造成的数据写入错误，降低数据存储的错误率，避免因频繁掉电和上电导致的因擦写次数过多造成的故障；
(2)相较于现有的索引存储方式，只增加了若干个索引数据，存储空间占用相对较小，空间利用率相对较高；
(3)数据和索引均使用循环存储的方式，能够有效避免存储器擦写次数限制的问题，提高存储器使用寿命；
(4)配置灵活，可以通过设置索引矩阵的大小，实现存储器空间利用率和擦写次数之间的合理权衡；
(5)软件功能扩展方便，在增加新的数据项时，无需考虑现有的硬件方案是否支持新增数据项存储的能量消耗问题；
(6)算法简单，软件执行速度快，效率高。
实施例二
参考图4，本实施例提供一种基于矩阵式索引的数据存储系统，应用于如实施例一所述的基于矩阵式索引的数据存储方法，所述数据存储系统包括单片机201和存储器202，单片机201用于执行：
在存储器202中建立N个数据存储单元；
在存储器202中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引储存单元中分别存储有N个索引值；
检测是否接收到数据存储请求信号；
如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；
将更新后的索引值写入所述存储器中；
检测是否接收到数据读取请求信号；
如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据。
具体地，单片机201内设置有随机存取存储器，读取索引值之后存入所述随机存取存储器。
作为一种优选的实施方式，存储器202为FLASH存储器。
作为另外一种优选的实施方式，存储器202为EEPROM。
设计人员可以依照实际的成本和需求确定存储器的类型。
进一步地，单片机201还用于执行：
读取所述N个索引值之后，计算所述N个索引值的和，并将和值对N取余，余数为所述有效索引值。
具体公式如下：
Figure BDA0001872959220000111
Indexreal＝Indexsum％N；
其中，Indexreal为有效索引值，Index(i)为第i个索引值。
进一步地，单片机201还用于对有效索引值进行更新：
Index(Indexreal)＝Index(Indexreal)+1；
即将有效索引值加1。
进一步地，单片机201还用于更新对应的索引存储单元中的索引值，包括：
将更新后的有效索引值对应的索引存储单元中的索引值加1。
具体的数据存储操作和读取操作请参考实施例一，在此不再赘述。
本实施例提供的基于矩阵式索引的数据存取系统，至少包括如下有益效果：
(1)索引和数据同步更新，因此单片机在掉电时无需执行数据保存操作，避免因电压不稳定或者电容、备份电池性能下降时造成的数据写入错误，降低数据存储的错误率，避免因频繁掉电和上电导致的因擦写次数过多造成的故障；
(2)相较于现有的索引存储方式，只增加了若干个索引数据，存储空间占用相对较小，空间利用率相对较高；
(3)数据和索引均使用循环存储的方式，能够有效避免存储器擦写次数限制的问题，提高存储器使用寿命；
(4)配置灵活，可以通过设置索引矩阵的大小，实现存储器空间利用率和擦写次数之间的合理权衡；
(5)软件功能扩展方便，在增加新的数据项时，无需考虑现有的硬件方案是否支持新增数据项存储的能量消耗问题；
(6)算法简单，软件执行速度快，效率高。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于矩阵式索引的数据存取方法，其特征在于，包括：
在存储器中建立N个数据存储单元；
在存储器中建立索引矩阵，所述索引矩阵包括N个索引存储单元，其中N为大于或等于2的整数，所述N个索引存储单元中分别存储有N个索引值；
检测是否接收到数据存储请求信号；
如果接收到数据存储请求信号，则根据所述数据存储请求信号，读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，并更新所述有效索引值以及对应的索引存储单元中的索引值，将待存储数据存储至更新后的有效索引值指示的数据存储单元中；
将更新后的索引值写入所述存储器中；
检测是否接收到数据读取请求信号；
如果接收到数据读取请求信号，则根据所述数据读取请求信号，读取存储器中的N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，从所述有效索引值指示的数据存储单元中读取数据；其中，
所述存储器为非易失存储器；
所述读取所述N个索引值，根据所述N个索引值计算有效索引值，包括：计算所述N个索引值的和，并将和值对N取余，余数为所述有效索引值；
所述更新所述有效索引值，包括：将所述有效索引值加1；
所述更新对应的索引存储单元中的索引值，包括：将更新后的有效索引值对应的索引存储单元中的索引值加1。
2.根据权利要求1所述的基于矩阵式索引的数据存取方法，其特征在于，所述索引值为无符号整型。
3.根据权利要求2所述的基于矩阵式索引的数据存取方法，其特征在于，更新对应的索引存储单元中的索引值时，判断所述索引值是否越界，如果越界，则将所述索引值归零。
4.根据权利要求1所述的基于矩阵式索引的数据存取方法，其特征在于，读取数据时，如果所述数据存储单元中存在校验冗余信息，则对所述数据进行有效性验证，如果验证失败，则根据所述有效索引值进行数据恢复。
5.一种基于矩阵式索引的数据存取系统，其特征在于，所述数据存取系统包括单片机和存储器，所述单片机用于执行如权利要求1-4任一所述的基于矩阵式索引的数据存取方法。
6.根据权利要求5所述的基于矩阵式索引的数据存取系统，其特征在于，所述存储器为FLASH存储器。
7.根据权利要求5所述的基于矩阵式索引的数据存取系统，其特征在于，所述存储器为EEPROM。
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