CN1949197A - 基于非易失性存储的便携式设备及实现掉电保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于数据的掉电保护技术，具体说是一种利用非易失性存储结构为存储部分的便携式设备防止掉电后产生不良数据的一种基于非易失性存储的便携式设备及实现掉电保护的方法。在便携式设备内部增加电容和低电压检测模块，在对非易失性存储结构进行数据写入和数据擦除之前，便携式设备进行低电压检测，若发现电压异常，则不执行任何操作；若便携式设备在数据写入和数据擦除时掉电，则电容放电，向系统提供正常工作所需的电压，使系统完成此次操作。根据本发明的方法和装置，可以防止便携式设备中的非易失性存储器在突然掉电时产生不良数据，并且相对于现有方法可以节省固件程序开发时间和固件代码存储空间，数据存储的可靠性及安全性更高。

Description

基于非易失性存储的便携式设备及实现掉电保护的方法

技术领域

本发明属于数据的掉电保护技术，具体说是一种利用非易失性存储结构为存储部分的便携式设备防止掉电后产生不良数据的一种基于非易失性存储的便携式设备及实现掉电保护的方法。

背景技术

Flash：一种非易失的存储器，可以对存储器单元进行擦写和再编程。任何Flash器件的写入操作只能在空的存储单元或已擦除的存储单元内进行，大多数情况下，进行写入操作之前必须先执行擦除。Flash存储器是近年来发展迅速的一种存储器，它具有EEPROM电擦除的特性，还具有低功耗、高密度、体积小、可靠性高、可擦除、可重写、可重复编程、写入数据及擦除速度快等优点。一般来说，Flash存储器的擦写速度可达到毫秒级，但相对RAM来说，Flash存储器的擦写速度显得较慢，因此，在对Flash存储器进行擦写过程中，若发生掉电，仍难以避免产生不良数据的情况。

智能密钥装置：一种带有处理器和存储器的小型硬件装置，它可通过计算机的数据通讯接口与计算机连接，具有密钥生成功能，并可安全存储密钥，可预置加密算法功能。智能密钥装置与密钥相关的运算完全在装置内部运行，且智能密钥装置具有抗攻击的特性，安全性极高。USB Key是一种USB接口的智能密钥装置，它内置单片机或智能卡芯片，可以存储用户的密钥或数字证书。

MCU：(Micro Controller Unit)微控制器单元，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、存储器、和多种I/O接口等集成在一片芯片上，形成的芯片级的计算机。

随着科学技术的进步，存储设备的性能正日益成为衡量计算机性能高低的重要标准。目前以闪存(Flash存储器)构成的存储卡正逐渐取代软磁盘。存储卡的容量可以做得较软盘更大，但具有软盘的方便性，现已大量用于便携式计算机、数码相机、MP3、MP4播放器等设备中。

在现有技术中，人们常利用Flash存储器掉电数据不易丢失的特点来实现数据存储和软件保护的目的。Flash存储器中物理块地址的第一个字节通常为逻辑块号，且按线性顺序排列。该逻辑块号的变化是由开发人员通过编写相应的程序来设定的，物理块的逻辑块号可以改变。在对块执行编程改写前，需要将该待操作块内的原有数据读入RAM，在RAM中完成改写操作，并将改写后的数据写入备份块中，同时备份块与原操作块互换逻辑块号，使原操作块成为新的备份块。下次再执行同样的操作时，需先将新备份块中的数据擦除，用于存放改写后的数据，具体操作过程同上。现有技术这种通过开发人员编写相应的操作代码来对块进行操作，从而实现软件保护的方法，可以防止在对块进行改写操作时突然掉电而导致数据丢失的不良后果。但这种方法是以在Flash中存放大量操作代码为代价的，需要开发人员编写相应的程序来防止掉电后产生不良数据，这种软件保护方法需要占用大量存储空间来存放固件程序。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于非易失性存储的便携式设备及实现掉电保护的方法。在便携式设备内部增加电容，掉电后通过电容放电给系统供电，保证系统执行完最后的操作，从硬件上实现和完成掉电后数据的保护方法。

本发明所提供的基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于，所述基于非易失性存储的便携式设备包括PCB板上内置容量适当的储能电容和MCU。

所述MCU包括接口模块、存储模块、CPU和低电压检测模块。

所述接口模块用于实现所述便携式设备与主机间的串行通信或并行通信。

所述接口模块包括USB接口模块。

所述存储模块为非易失性结构的存储器，包括Flash或EEPROM。

所述非易失性结构的存储器被划分成不同的存储区域，包括固件代码存储区域、用户数据存储区域。

所述低电压检测模块中存储低电压自动检测程序，用于实时监测便携式设备的供电电压。

本发明所提供的一种基于非易失性存储的便携设备实现掉电保护的方法，其具体步骤如下：

步骤1.便携式设备与主机建立连接。

步骤2.便携式设备与主机进行数据通信，传递所需的数据。

步骤3.对数据进行写入或擦除操作前，便携式设备进行低电压检测，若发现电压异常，则不执行任何操作；如果电压正常，则继续执行操作。

步骤4.对数据进行操作时，若发生掉电，则由储能电容供电，维持操作完成。

如步骤1所述，在本发明中，所述便携式设备为智能密钥装置。

所述智能密钥装置包括USB Key。

如步骤2所述，在所述便携式设备与主机进行通信的过程中，主机向便携式设备供电，并向便携式设备内的储能电容充电。

便携式设备与主机进行通信的过程中，用户通过上层应用程序对用户数据存储区中的数据进行修改，即对非易失性存储器进行改写时，先将操作块内的数据读入RAM，在RAM中完成改写操作，并将改写后的数据写入原操作块。

如步骤4所述，在所述便携式设备与主机进行通信的过程中，若所述便携式设备发生掉电，则电容立刻放电，向系统提供工作电压，保证最后一个数据包中的全部内容写入操作块。

在本发明中，所述操作除写入操作外，还包括擦除操作。

所述电容在便携式设备掉电后开始放电，维持系统正常运行，电容容量可以通过相关参数计算出来。在本发明中要求所选电容在放电时能够维持放电电压在正常工作电压之上，直至操作结束。

所述相关参数包括所述便携式设备的等效电阻、额定工作电压、系统正常工作所需的最小电压、对一个数据包操作所需的时间。

在本发明提供的方法中，可直接对物理块进行操作，无需备份块的参与，从而无需开发人员编写相应的逻辑块操作代码，省去了大量固件代码存储空间，能够将节省下来的空间用于存放更多的用户信息及其他数据；同时，利用电容具有充放电的特性，在非易失性存储器掉电后，能够及时向系统供电，保证最后一个数据包完成操作，使得数据存储的可靠性及安全性得到很大程度的提高，在本发明中，可通过相关计算选取容值适当的电容，不易增加过多成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例中的工作流程图；

图3是本实施中电容放电的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并以对便携式设备进行改写操作时实现数据掉电保护为例，对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

在下述实施例中，所述便携式设备集软件加密、身份认证功能二合一；拥有64位硬件ID；提供HMAC-MD5算法；支持PIN码管理。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的一种实现数据掉电保护的便携式设备为USBKey，具体包括MCU和大电容。

所述电容内置于所述便携式设备的PCB板上，分别与主机和MCU连接，所述非易失性结构的存储器集成在MCU中。

所述MCU内置于所述便携式设备的PCB板上，分别与主机和电容连接，具体包括接口模块、存储模块、CPU、低电压检测模块等，用于实现程序的执行。

所述接口模块为USB接口模块，负责将USB Key与主机建立连接。

所述存储模块为Flash结构，被划分为密钥数据存储模块和固件程序存储模块，分别用于存储数字证书、密钥、用户信息以及固件程序。

所述低电压检测模块用于存储低电压自动检测程序，由开人员设定。

所述电容分别与主机和MCU连接，用于实现数据掉电保护，即当USB Key发生掉电时，电容放电，向系统提供正常工作所需的电压。

实施例2

如图2所示，本实施例所提供的一种实现数据掉电保护的装置其工作方法具体如下：

步骤201开始后，步骤202USB Key与主机建立连接，主机给USB Key提供工作电压。

步骤203USB Key与主机进行数据通信。

步骤204用户通过上层应用程序对存储模块中的数据进行改写。

在本实施例中，用户在通过上层应用程序对存储模块中的数据进行改写前，将由低电压自动检测程序对电压进行检测，若发现掉电，则不执行任何操作。

步骤205读取操作块的物理地址，找到相应的操作块。

步骤206将操作块中的内容读入RAM。

步骤207在RAM中对数据进行改写。

步骤208判断是否发生掉电，若发生掉电，执行步骤209，否则执行步骤210。

在本实施例中，所述判断是否发生掉电是通过判断掉电标志是否被设置来实现的。系统在运行过程中，低电压自动检测程序将对电路中的电压进行检测，若检测到发生掉电情况，则设置掉电标志；若未检测到掉电情况，则不设置掉电标志。

所述低电压自动检测程序为固件程序的一部分，所述低电压自动检测程序及掉电标志设置程序均由开人员设定。

在本实施例中，在低电压检测模块中设立掉电标志设置程序，所述发生掉电是指判断USB Key的工作电压低于某一预设的门限值(门限电压值＝0.7～0.8U_O)。此时MCU会产生一个中断，掉电标志设置程序设置掉电标志。低电压检测程序通过判断这个掉电标志被设置来确定USB Key是否掉电。

所述门限值是由开发人员设定的，通常将其设置为额定工作电压值的80％。

图3是本实施例中电容放电的曲线图。在本实施例中，若发生掉电情况，则由电容放电，根据公式 $u_c=U_O{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},$ τ＝RC，可以计算出所需的电容及电阻值。

在上述公式中，所述电阻R是电路的等效电阻，所述U_O为系统正常工作额定电压。通常情况下，电压在额定值的70％以上仍能够保证系统正常运行，由于完成最后一个数据包的操作时间约为4s，所以本实施例所需的电容必须保证从电压降为额定工作电压值的80％直至电容放电电压为0.7U_O的这段时间大于4ms，从图中看，t1到t2的时间大于4ms，才能保证完成对最后一个数据包的操作。通过实际测量得知电路的等效电阻为250Ω，根据计算，可选用120μF的电容。

步骤209工作电压低于0.8U_O，USB Key发生掉电，此时将MCU设置为停止工作状态。

步骤210结束。

步骤211电压高于0.8U_O，MCU未产生中断，USB Key没有掉电，继续执行改写操作。

在执行改写的过程中，若USB Key发生掉电，且尚未完成对最后一个数据包的操作，则电容放电，维持USB Key电压的正常工作值，直至工作结束。

步骤212判断是否完成对一个块的改写操作，若完成则执行步骤213，否则执行步骤211。

步骤213此时已经完成对一个块的操作，判断是否全部的改写操作，若全部完成，则执行步骤203，否则执行步骤204。

以上对本发明所提供的一种基于非易失性存储结构的便携式设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于，在便携式设备的PCB板上内置容量适当的储能电容和MCU。

2.根据权利要求1所述基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于：所述MCU包含CPU、存储模块、低电压检测模块和接口模块。

3.根据权利要求2所述基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于：所述存储模块为非易失性结构的存储器，包括Flash或EEPROM。

4.根据权利要求2所述基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于：所述接口模块为USB接口模块。

5.根据权利要求2所述基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于：所述低电压检测模块中存储有低电压自动检测程序，用于实时监测便携式设备的供电的电压。

6.根据权利要求1所述基于非易失性存储的便携式设备，其特征在于：所述内置于便携式设备PCB板上的储能电容，与便携式设备的供电电路连接。

7.一种基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：

(1)便携式设备内部增加容量适当的储能电容和电压检测模块；

(2)在对非易失性存储结构进行数据写入和数据擦除之前，便携式设备进行电压检测，若发现电压异常，则停止操作；

(3)若便携式设备在数据写入和数据擦除时掉电，则电容向系统提供正常工作所需电压，使系统完成此次操作。

8.根据权利要求7所述的基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：若便携式设备在数据写入和数据擦除时掉电，则向系统提供正常工作所需电压的方式为电容放电。

9.根据权利要求7所述的基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：所述电压检测由低电压检测模块在便携式设备进行数据写入或数据擦除操作前执行低电压自动检测程序，进行低电压检测，若发现电压异常，则停止操作；若电压正常，则继续执行操作。

10.根据权利要求9所述的基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：如果便携式设备在进行数据写入或数据擦除操作时掉电，则上述储能电容放电，向系统供电。

11.根据权利要求8或10所述的基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：所述储能电容的值根据 $u_c=U_O{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},$ τ＝RC计算，R为电路的等效电阻，U_O为系统正常工作额定电压，电容的最小值为能够使电容的放电时间从便携式设备的工作电压为系统设定的门限值降至系统可正常工作的最小电压值这段时间大于完成一次数据写入和数据擦除操作所需的时间。

12.根据权利要求9所述的基于非易失性存储的便携式设备实现掉电保护的方法，其特征在于：所述低电压自动检测程序发现电压异常的方式为：在低电压检测模块中设立掉电标志设置程序，工作电压低于预设的门限值时，MCU产生一个中断，掉电标志设置程序设置掉电标志，低电压检测程序通过判断此掉电标志来确定便携式设备是否掉电。

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