CN109254878B - 一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构，消除NVM页擦写掉电后出现读不稳定的安全风险，并可减少掉电备份中NVM擦写次数，提升掉电备份的速度。本发明提供的数据结构为：NVM一页中同时含有数据和两个标记。本发明提供的方法为：NVM页擦写时，页擦除后，通过硬件字写方式，依次顺序写入数据、标记1、标记2；后续读写该页时，基于数据和两个标记的写入顺序判断两个标记的有效状态，来确定该页数据的有效性，并确定是否先进行掉电恢复，通过掉电恢复消除不稳定状态，再进行数据读写。

Description

一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构

技术领域

本发明涉及智能卡技术领域，尤其涉及一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构。

背景技术

根据智能卡芯片NVM擦写特性，可以整页擦除后，进行硬件字写操作，当硬件字写时出现掉电，主要影响当前字的读稳定性。并且全页只擦加全页硬件字写的性能与整页擦写一次的性能基本一致，且本文中的字写方式均为硬件字写。

NVM页擦写掉电后，掉电页会出现读不稳定问题。即NVM页擦写掉电后，前期数据读取正确，因无法识别掉电引起的不稳态，后续使用中页内数据可能出现跳变或读不稳定，会造成智能卡的未知异常，甚至交易余额的变化，存在很大安全风险。

目前智能卡中已有的掉电备份方法，通常以传统备份为主。一般传统备份进行掉电保护时，需要先擦写备份区数据，然后擦写备份区有效标记为有效，然后再写目标数据，最后擦写备份区有效标记为无效。根据传统备份的处理流程，1次NVM数据更新至少需要4次NVM擦写操作，擦写性能较差。

目前除了传统备份，为了提升速度，还存在一种多扇区备份，数据区分为两个或多个扇区，多个扇区互为备份，并为每个扇区设置1个扇区标记。此种备份方法在更新数据时需要更新整个目标扇区，并计算整个目标扇区的CRC，同时要擦写扇区标记。此种备份方法仅使用1个备份标记存在的问题有：1次目标页的擦写要进行2次以上存储器擦写操作，且要计算整个扇区CRC，额外开销大；用CRC做数据校验存在碰撞概率，无法消除NVM页擦写掉电后读不稳定问题；每次擦写目标扇区都会进行目标扇区标记页的擦写，扇区标记页成为擦写寿命瓶颈(即每次更新只擦写扇区内一页情况下，扇区内每页的累计擦写总次数等于扇区标记页擦写总次数，大大降低了整个扇区内每页的擦写总寿命)。

目前智能卡掉电备份方法中NVM擦写次数较多，影响智能卡的整体性能，尤其是影响交易性能；并且有些方法中无法消除NVM页擦写掉电后读不稳定问题，存在很大的安全风险，在安全领域无法进行实用推广。

发明内容

针对目前智能卡掉电备份方法中的种种缺陷，本发明提供一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构，可以消除NVM页擦写掉电后出现读不稳定的安全风险，并可以减少掉电备份中NVM擦写次数，提升掉电备份的速度。

本发明中，每个逻辑页对应多个物理页，且多个物理页互为镜像页。每次读写逻辑页时，均识别一个镜像页作为逻辑页的有效数据进行读写。本发明的掉电备份数据结构，为每页NVM中包含页内数据、标记1、标记2三部分，其中页内数据包含用户数据和1个字的计数器，标记1和标记2分别为1个字，NVM的每个逻辑页对应多个(含两个)镜像页且互为备份。在基于字写的智能卡芯片中，该发明通过字写方式将页内数据、标记1、标记2分3次顺序写入目标页，可以避免擦写NVM掉电后出现读不稳定，也可以避免使用CRC算法存在的碰撞概率，大大增强智能卡掉电备份的安全性和稳定性；并且将带有掉电备份功能的1次数据更新，降低到仅需1次NVM的擦写时间，可显著提升掉电备份性能，尤其是提升智能卡的交易性能。本发明提供的处理方式为首创，尚未发现有同类技术存在。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方法步骤如下：

步骤一、启动单页擦写。

步骤二、在NVM逻辑页的多个镜像页中，读取全部镜像页的标记1和标记2，根据其有效状态判断是否进行掉电恢复，当所有页都稳定有效后，找到计数器最小(最旧)的目标页，根据NVM擦写操作的特性，进行整页的只擦操作，先使用整页擦除方式对目标页进行单擦操作。

步骤三、组织好要写入目标页的数据，使用字写方式，从页首开始逐字编程写入目标页，其中计数器放在数据的一个字中，和其他数据一起写入，并保证该页计数器是更新前所有页中最大计数器加1。

步骤四、通过字写方式，将标记1写为有效值，标记1放在一个字中，如每页的倒数第二个字。

步骤五、通过字写方式，将标记2写为有效值，标记2放在一个字中，如每页的倒数第一个字。

步骤六、结束单页擦写。

NVM单页擦写后，后续读写该页时，在NVM逻辑页的多个镜像页中，先读取各页的标记1和标记2的有效状态，判断是否进行掉电恢复。

当所有页标记1和标记2均有效时，这些页均为有效页，无需进行掉电恢复，直接使用；当某页标记1有效且标记2无效时，识别该页为无效页，可能之前写入标记1或写入标记2时掉电，为了消除标记1或标记2可能存在的不稳定状态，进行掉电恢复；当某页标记1无效时，该页为无效页，可能之前擦除、写入数据或写入标记1时掉电，为了消除该页数据可能存在的不稳定状态，进行掉电恢复。

掉电恢复后，所有镜像页均变为有效页，如果为读取操作，则选择计数器最大的页(最新页)进行读取；如果为擦写操作，则选择计数器最小的页(最旧页)进行擦写，擦写前将目标页计数器改为当前所有页中最大计数器加1。

掉电恢复流程：

在无效页的掉电恢复中，根据标记1和标记2的有效状态判断该页中数据有效性，并根据数据有效性的不同，进行不同的恢复流程。

若标记1有效且标记2无效，说明该页在写入标记1或写入标记2时发生了掉电，或者因为之前写标记2掉电后出现了读不稳定，但该页数据已经正确写入且稳定，所以该页数据有效，若多页数据有效且标记2不稳定，则先恢复计数器最大的，则对有效数据进行断电恢复。操作如下：

1)如果是读取操作，使用字写方式将该页数据恢复到所有页中计数器最小的页，并用字写方式将该掉电页数据擦写无效、标记1和标记2写有效；

2)如果是擦写操作，使用字写方式将该页数据恢复到所有页中计数器最小的页，并使用字写方式将擦写操作的目标数据写入该掉电页，擦写前将目标页计数器改为当前所有页中最大计数器加1。

标记1无效时，该页在之前擦除、写入数据或者写入标记1时发生了掉电，无法判断数据的有效性，该页数据无效，则对无效数据进行断电恢复处理。操作如下：

1)如果是读操作，使用字写方式将该页擦写数据无效，字写标记1、标记2有效；

2)如果是擦写操作，则将该页作为目标页，使用字写方式将目标数据写入该页，并写标记1、标记2有效。

附图说明

图1为本发明单页NVM数据结构图；

图2为本发明单页擦写流程图；

图3为本发明有两组数据镜像段的数据结构图；

图4为本发明读取数据流程图；

图5为本发明擦写数据流程图；

图6为本发明擦写某目标页前的数据状态；

图7为本发明擦写某目标页后的数据状态。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明所提供的一种基于字写的智能卡掉电备份方法和数据结构做进一步说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一、一种基于字写的智能卡掉电备份单页NVM数据结构图，如附图1所示，包含有页内数据、标记1、标记2三部分，并且页内数据包含计数器，通常情况下标记1在整页倒数第二个字，标记2在整页倒数第一个字，便于字写时从前往后顺序编程。

二、一种基于字写的智能卡掉电备份方法单页擦写流程，如附图2所示，该方法步骤包括：

S2001、启动单页擦写操作。

S2002、在NVM逻辑页对应的多个镜像页中，读取全部镜像页的标记1和标记2，根据其有效状态，找到目标页，使用整页擦除方式对目标页进行单擦操作，此时标记1和标记2均变为无效(0xFFFFFFFF)。

S2003、组织好要写入目标页的数据，使用字写方式，从页首开始逐字编程写入目标页，其中计数器放在数据的一个字中，和其他数据一起写入。

S2004、通过字写方式，将标记1写为有效值(0xA55A5AA5)，标记1放在每页的倒数第二个字。

S2005、通过字写方式，将标记2写为有效值(0xA55A5AA5)，标记2放在每页的倒数第一个字。

S2006、结束单页擦写操作。

三、实施例数据结构，如附图3所示，该方法逻辑段对应的物理数据分为A镜像段和B镜像段两个大段，其中两个段中的每页一一对应，且互为备份，即每个NVM逻辑页对应着两个物理镜像页，如第一个NVM逻辑页，对应着A1页和B1页两个镜像页。

四、实施例读取流程，如附图4所示，包含以下步骤：

S4001、启动数据读取。

S4002、读取NVM逻辑页所对应的两个镜像页中的标记1和标记2，如果A页和B页的标记1和标记2都为有效(0xA55A5AA5)，此时两个页中的计数器肯定稳定有效，并执行S4006；否则执行S4003。

S4003、如果A页和B页中某一页标记1有效(0xA55A5AA5)且标记2无效(非0xA55A5AA5)，执行S4004；否则为某页出现了标记1无效，执行S4005。

S4004、该页标记1有效(0xA55A5AA5)且标记2无效(非0xA55A5AA5)，说明该页数据已经正确写入且稳定，该页数据有效。该页在写入标记1或标记2时发生了掉电，或者因为之前写标记2掉电出现了读不稳定，进行掉电恢复，消除该页因掉电导致的不稳定状态。

S4005、该页标记1无效(非0xA55A5AA5)，说明上次擦写了该页，且无法判断数据的有效性。该页在擦除、写入数据或者写入标记1时发生了掉电，进行掉电恢复，消除该页因掉电导致的不稳定状态。

S4006、通过前面流程处理，确保A和B两页均为有效页，两页中标记1和标记2均有效，则直接读取两个镜像页中的计数器，选择计数器最大的页直接读取。

S4007、结束数据读取。

五、实施例擦写流程，如附图5所示，包含以下步骤：

S5001、启动数据擦写。

S5002、读取NVM逻辑页对应的两个镜像页中的标记1和标记2，如果A页和B页的标记1和标记2都为有效(0xA55A5AA5)，此时两个页中的计数器肯定稳定有效，并执行S5005；否则执行S5003。

S5003、如果A页和B页中某页标记1有效(0xA55A5AA5)且标记2无效(非0xA55A5AA5)，执行S5004；否则为某页出现了标记1无效，执行S5006。

S5004、该页标记1有效(0xA55A5AA5)且标记2无效(非0xA55A5AA5)，说明该页数据已经正确写入且稳定，该页数据有效。该页在写入标记1或标记2时发生了掉电，或者因为之前写标记2掉电出现了读不稳定，进行掉电恢复，消除该页因掉电导致的不稳定状态。

S5005、通过前面流程处理，确保A和B两页均为有效页，两页中标记1和标记2均有效(0xA55A5AA5)，则直接读取两个镜像页中的计数器，选择计数器最小的页作为擦写目标页。

S5006、当某页标记1无效(非0xA55A5AA5)时，说明该页在之前擦除、写入数据或写入标记1时发生了掉电，无法判断该页数据有效性，该页为无效页，直接选择该页作为擦写目标页。(且该方法中因为有掉电恢复机制，所以同一个NVM逻辑页对应的多个镜像页中最多只会出现一个标记1无效的页，即数据无效页。)

S5007、执行擦写操作，详见单页擦写流程。

S5008、结束数据擦写。

六、实施例掉电恢复流程，如附图6和附图7所示。

在该实施例中，标记1和标记2均有效时，识别为有效页，直接使用；标记1和标记2中有一个以上无效时，识别为无效页，进行掉电恢复。

如图6，在该NVM逻辑页擦写前，读取A页和B页的标记1和标记2均有效(0xA55A5AA5)，则读取两页的计数器，其中A页计数器为0x02，B页计数器为0x01，B页计数器小，所以B页为旧页，选择擦写B页。如果擦写成功，如图7，B页计数器变为0x03，B页变为新页；如果擦写中掉电，则在下次读写时进行掉电恢复流程处理。

读写时若出现A页和B页标记1均无效(非0xA55A5AA5)的情况，A页和B页数据均不可信，则肯定出现了预期外的处理，应抛出读写异常。因A页上次未擦写，所以该页数据和标记1肯定稳定有效(0xA55A5AA5)。

读取时的掉电恢复：

如果A页和B页中标记1和标记2均有效(0xA55A5AA5)，均为有效页，再读取计数器，B页为0x03大于A页0x02，将B页识别为新页。

如果B页标记1有效(0xA55A5AA5)、标记2无效(非0xA55A5AA5)，说明上次擦写标记1、标记2发生掉电或标记2出现了读不稳定，为无效页，但数据和计数器稳定有效，若多页数据有效且标记2无效，则先恢复计数器最大的。对B页进行掉电恢复：将B页有效数据读到临时缓冲区，为降低连环断电的风险使用字写方式擦写A页(旧页)，擦写前将临时缓冲区数据内的计数器加1(即0x04)，先擦除A页，使用字写方式将缓冲区数据写入A页，并通过字写方式分别写入标记1和标记2有效(0xA55A5AA5)；将临时缓冲区数据全部清0(包含计数器)，使用字写方式擦写B页数据，并使用字写方式分别写入标记1和标记2有效(0xA55A5AA5)，消除B页因掉电导致的不稳定状态。

如果B页标记1无效(非0xA55A5AA5)，识别为无效页，进行掉电恢复：将临时缓冲区中该页数据全部清0(包含计数器)，使用字写方式加固擦写B页数据无效，并通过字写方式分别写入标记1和标记2有效(0xA55A5AA5)，消除B页因掉电导致的不稳定状态。

掉电恢复后比较A和B页计数器，读取计数器大的页。

擦写时的掉电恢复：

在下次擦写A页或B页时，先读取两页中的标记1和标记2，如果标记1、标记2均有效(0xA55A5AA5)，为有效页，然后读取两页的计数器，A页计数器小为旧页，则将目标数据更新至A页(擦写前将缓冲区中计数器的值写为A、B两页有效页中最大的计数器值加1，即0x04)。

如果B页标记1有效(0xA55A5AA5)、标记2无效(非0xA55A5AA5)，说明上次擦写标记1、标记2发生掉电或标记2出现了读不稳定，为无效页，但数据和计数器稳定有效，若多页数据有效且标记2无效，则先恢复计数器最大的。对B页进行掉电恢复：将B页有效数据读到临时缓冲区，为降低连环断电的风险擦写A页(旧页)，擦写前将临时缓冲区数据内的计数器加1(即0x04)，先擦除A页，使用字写方式将缓冲区数据写入A页，并通过字写方式分别写入标记1和标记2有效(0xA55A5AA5)；B页有效数据恢复至A页后，因B页仍不稳定，且B页计数器小为旧页，则将目标数据更新至B页，消除B页的不稳定状态(擦写前将B页缓冲区中计数器的值写为A、B两页计数器最大的值加1，即0x05)。

如果B页标记1无效(非0xA55A5AA5)，则识别为无效页，且无法确定数据有效性，将目标数据更新至B页，消除B页的不稳定状态(擦写前将B页缓冲区中计数器的值写为A、B两页有效页中最大的计数器值加1，即0x03)。

掉电恢复后，执行目标页擦写操作，为了保证擦写目标页的稳定性和原子性，仍然使用字写方式擦写目标页。

Claims (3)

1.一种基于字写的智能卡掉电备份数据结构的存储装置，其特征在于，每页NVM中包含页内数据、标记1、标记2三部分，其中页内数据包含用户数据和1个字的计数器，标记1和标记2分别为1个字，NVM的每个逻辑页对应两个及以上镜像页且互为备份；NVM单页擦写后，后续读写该页时，在NVM逻辑页的多个镜像页中，先读取各页的标记1和标记2的有效状态，判断是否进行掉电恢复；当所有页标记1和标记2均有效时，这些页均为有效页，无需进行掉电恢复，直接使用；当某页标记1有效且标记2无效时，识别该页为无效页，进行掉电恢复；当某页标记1无效时，该页为无效页，进行掉电恢复；掉电恢复后，所有镜像页均变为有效页，如果为读取操作，则选择计数器最大的页进行读取；如果为擦写操作，则选择计数器最小的页进行擦写，擦写前将目标页计数器改为当前所有页中最大计数器加1。

2.一种基于字写的智能卡掉电备份方法，基于权利要求1所述的智能卡掉电备份数据结构的存储装置，NVM页擦写时，在页擦除后通过硬件字写方式依次顺序写入数据、标记1、标记2，并在后续使用中根据每个镜像页的标记1和标记2的有效状态，判断出有效页，其特征在于，包括步骤：

步骤一、启动单页擦写；

步骤二、在NVM逻辑页的多个镜像页中，根据标记1和标记2的有效状态找到目标页，将整页擦除；

步骤三、使用硬件字写方式将组织好的数据写入目标页，其中计数器放在数据的一个字中，并且保证最后写入的页计数器在所有镜像页中最大；

步骤四、使用硬件字写方式写入标记1有效，标记1为该页中一个字；

步骤五、使用硬件字写方式写入标记2有效，标记2为该页中一个字；

步骤六、结束单页擦写。

3.根据权利要求2所述的方法，结束单页擦写后，后续数据读写时需要进行有效数据识别和掉电恢复，在NVM逻辑页的多个镜像页中，先读取各页标记1和标记2的有效状态，判断是否进行掉电恢复，然后进行读写，其特征在于：

1)当所有页标记1和标记2均有效时，识别为有效页；

2)当某页标记1有效、标记2无效时，说明该页在写入标记1或标记2时发生了掉电，或者是标记2掉电后出现了读不稳定，识别为无效页，进行掉电恢复：因为标记1有效，所以数据有效，则通过硬件字写方式将有效数据恢复到其他镜像页中，并通过硬件字写方式加固擦写该页数据无效，以消除其不稳定状态；

3)当某页标记1无效时，说明该页在擦除、写入数据或者写入标记1时发生了掉电，识别为无效页，进行掉电恢复：因为标记1无效，所以数据无效，则通过硬件字写方式，加固写该页数据无效或直接用目标数据覆盖该无效页，以消除其不稳定状态；

4)掉电恢复后，所有页均变为有效页，如果为读取操作，则选择计数器最大的页进行读取，如果为擦写操作，则选择计数器最小的页进行擦写。

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