存儲(chǔ)方案實(shí)戰(zhàn))
1. 為什么 MRAM 在工業(yè)嵌入式場(chǎng)景里越來(lái)越受關(guān)注搞過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)采集或者電力終端的朋友應(yīng)該都有體會(huì)選存儲(chǔ)芯片這件事很多時(shí)候比選主控還讓人頭疼。EEPROM 擦寫(xiě)壽命不夠、FRAM 容量太小、NOR Flash 寫(xiě)入速度慢還怕掉電、SRAM 又得配電池。這幾年 MRAM 慢慢進(jìn)入大家的視野尤其是 Everspin 的 MR25H40 系列4Mbit 容量、SPI 接口、號(hào)稱(chēng)無(wú)限次擦寫(xiě)、掉電數(shù)據(jù)不丟聽(tīng)起來(lái)像是把上面幾個(gè)痛點(diǎn)一次性解決了。我最近在一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器的項(xiàng)目里用 STM32F469II 搭配 MR25H40CDF 做了一套數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案跑了大概三個(gè)月積累了一些實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。這篇文章就把整個(gè)選型思路、硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、踩過(guò)的坑都梳理一遍。不管你是剛接觸 MRAM 的嵌入式新手還是正在做存儲(chǔ)方案選型的老手應(yīng)該都能從中找到有用的東西。MR25H40CDF 是 Everspin 出的 4Mbit512KBSPI MRAM工作電壓 2.7V 到 3.6VSPI 時(shí)鐘最高 40MHz支持標(biāo)準(zhǔn) SPI Mode 0 和 Mode 3。跟傳統(tǒng)存儲(chǔ)方案比它的核心優(yōu)勢(shì)在于寫(xiě)入不需要擦除、寫(xiě)入速度接近 SRAM、擦寫(xiě)次數(shù)理論上無(wú)限官方標(biāo)稱(chēng) 10^14 次以上、數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過(guò) 20 年。這些特性放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)那種高溫、震動(dòng)、頻繁斷電的環(huán)境里價(jià)值就非常明顯了。STM32F469II 是 ST 家的高性能 M4 系列180MHz 主頻帶 Chrom-ART 圖形加速器2MB Flash、384KB SRAM外設(shè)資源豐富SPI 接口有好幾個(gè)。選它主要是因?yàn)轫?xiàng)目需要驅(qū)動(dòng)一塊 RGB 屏做實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示同時(shí)還要跑數(shù)據(jù)記錄和通信協(xié)議棧F469 的性能和存儲(chǔ)空間都?jí)蛴?。MR25H40CDF 掛在 SPI2 上跟屏幕的 LTDC 接口不沖突整體架構(gòu)比較干凈。2. 方案整體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵選型考量2.1 存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)比為什么最終選了 MRAM在確定 MR25H40CDF 之前我對(duì)比了幾種常見(jiàn)的非易失存儲(chǔ)方案。這個(gè)對(duì)比過(guò)程其實(shí)挺關(guān)鍵的因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景下最優(yōu)解完全不一樣。存儲(chǔ)類(lèi)型寫(xiě)入速度擦寫(xiě)壽命掉電保持容量范圍寫(xiě)入前是否需擦除典型功耗EEPROM慢ms級(jí)100萬(wàn)次是KB級(jí)否字節(jié)級(jí)低NOR Flash中等10萬(wàn)次是MB級(jí)是塊級(jí)中FRAM快10^12次是KB~MB否低MRAM快接近SRAM10^14次是KB~MB否中SRAM電池最快無(wú)限依賴(lài)電池MB級(jí)否高含電池維護(hù)從表里能看出來(lái)MRAM 在寫(xiě)入壽命和寫(xiě)入速度這兩個(gè)維度上優(yōu)勢(shì)明顯。工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器需要每秒寫(xiě)入幾十條記錄每條記錄幾十字節(jié)一天下來(lái)寫(xiě)入次數(shù)輕松上萬(wàn)。如果用 EEPROM100萬(wàn)次的壽命大概幾個(gè)月就耗盡了NOR Flash 雖然容量大但塊擦除機(jī)制導(dǎo)致小數(shù)據(jù)頻繁寫(xiě)入時(shí)效率極低還需要額外的磨損均衡算法。MRAM 的字節(jié)級(jí)寫(xiě)入和無(wú)擦除特性讓固件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。FRAM 其實(shí)也是候選但容量做到 512KB 以上的型號(hào)選擇少價(jià)格也不便宜。MR25H40CDF 的 512KB 容量剛好夠存一周的原始數(shù)據(jù)加上 SPI 接口簡(jiǎn)單最終就定了它。2.2 STM32F469II 的 SPI 外設(shè)分配與引腳規(guī)劃STM32F469II 有 6 個(gè) SPI/I2S 接口但不是每個(gè)都適合掛 MRAM。SPI1 通常留給調(diào)試或者高速外設(shè)SPI2 和 SPI3 比較靈活。我最終把 MR25H40CDF 掛在 SPI2 上原因有幾個(gè)SPI2 的引腳PB13/PB14/PB15在 PCB 布局上離 MRAM 芯片近走線(xiàn)短SPI2 不跟 LTDC 的引腳沖突SPI2 的時(shí)鐘源來(lái)自 APB1配置起來(lái)跟系統(tǒng)時(shí)鐘的耦合關(guān)系清晰。片選信號(hào)用的是軟件片選GPIO 選的是 PB12。這里有個(gè)細(xì)節(jié)STM32 的硬件 NSS 在某些模式下會(huì)有時(shí)序問(wèn)題尤其是多從機(jī)場(chǎng)景。軟件片選雖然多占一個(gè) GPIO但控制靈活調(diào)試的時(shí)候也方便用邏輯分析儀抓波形。MR25H40CDF 的 CS 建立時(shí)間和保持時(shí)間要求不苛刻軟件片選完全能滿(mǎn)足。引腳分配如下SPI2_SCK - PB13SPI2_MISO - PB14SPI2_MOSI - PB15MRAM_CS - PB12GPIO 輸出MRAM_WP - 接 VDD不用的寫(xiě)保護(hù)直接拉高M(jìn)RAM_HOLD - 接 VDD不用的保持功能直接拉高注意MR25H40CDF 的 WP 和 HOLD 引腳內(nèi)部沒(méi)有上拉懸空會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)不確定。即使不用這兩個(gè)功能也必須明確拉到 VDD 或 GND。2.3 電源與去耦設(shè)計(jì)要點(diǎn)MRAM 的寫(xiě)入電流比讀取電流大不少尤其是在高頻寫(xiě)入的時(shí)候。MR25H40CDF 的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)寫(xiě)入電流典型值 25mA峰值可能到 40mA。如果電源去耦沒(méi)做好寫(xiě)入瞬間的電壓跌落可能導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。我在 MRAM 的 VDD 引腳旁邊放了兩個(gè)電容一個(gè) 100nF 的陶瓷電容緊貼引腳另一個(gè) 1uF 的陶瓷電容稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)。這兩個(gè)電容的作用不一樣100nF 負(fù)責(zé)濾高頻噪聲1uF 負(fù)責(zé)提供寫(xiě)入瞬間的電荷緩沖。PCB 走線(xiàn)上電源線(xiàn)盡量粗從 LDO 到 MRAM 的路徑上不要有大的電感或者過(guò)孔。另外STM32F469II 和 MR25H40CDF 的電源域要一致。如果 STM32 用 3.3VMRAM 也用 3.3VSPI 電平匹配就沒(méi)問(wèn)題。如果 STM32 用 1.8V 核心電壓但 IO 是 3.3V那也沒(méi)問(wèn)題因?yàn)?F469 的 IO 電壓是可配的。但千萬(wàn)別出現(xiàn) STM32 IO 是 3.3V 而 MRAM 供電是 2.5V 的情況這樣高電平識(shí)別可能出問(wèn)題。3. SPI 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與 MRAM 操作細(xì)節(jié)3.1 STM32CubeMX 配置 SPI2 的關(guān)鍵參數(shù)用 CubeMX 配置 SPI2 的時(shí)候有幾個(gè)參數(shù)需要特別注意。我先把配置截圖的關(guān)鍵項(xiàng)列出來(lái)然后解釋每個(gè)參數(shù)為什么這么選。Mode: Full-Duplex MasterData Size: 8 BitsClock Polarity (CPOL): LowClock Phase (CPHA): 1 EdgeNSS Signal Type: SoftwarePrescaler: 4APB1 時(shí)鐘 45MHzSPI 時(shí)鐘 11.25MHzFirst Bit: MSB FirstCRC Calculation: DisabledCPOL 和 CPHA 的組合決定了 SPI 的工作模式。MR25H40CDF 支持 Mode 0CPOL0, CPHA0和 Mode 3CPOL1, CPHA1。我選的是 Mode 0也就是 CPOL Low、CPHA 1 Edge。這個(gè)模式下時(shí)鐘空閑為低電平數(shù)據(jù)在第一個(gè)邊沿上升沿采樣。用邏輯分析儀抓波形的時(shí)候Mode 0 的波形最直觀(guān)調(diào)試方便。預(yù)分頻系數(shù)選 4SPI 時(shí)鐘跑到 11.25MHz。MR25H40CDF 最高支持 40MHz為什么不用更高的時(shí)鐘因?yàn)?PCB 走線(xiàn)長(zhǎng)度和信號(hào)完整性限制。我的板子上 SPI 走線(xiàn)大概 3cm沒(méi)有做阻抗匹配11.25MHz 下波形還很干凈再高就開(kāi)始出現(xiàn)振鈴了。工業(yè)環(huán)境里穩(wěn)定性比速度重要11.25MHz 的讀取速度已經(jīng)能到 1.4MB/s足夠用了。提示如果你的 PCB 走線(xiàn)很短1cm且做了阻抗控制可以嘗試 20MHz 甚至 40MHz。但建議先用示波器看波形確認(rèn)沒(méi)有過(guò)沖和振鈴再提高頻率。3.2 MR25H40CDF 的命令集與讀寫(xiě)時(shí)序MR25H40CDF 的命令集跟標(biāo)準(zhǔn) SPI Flash 很像但有幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。先看常用命令命令名稱(chēng)命令碼功能說(shuō)明地址字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)WREN0x06寫(xiě)使能00WRDI0x04寫(xiě)禁止00RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器01WRSR0x01寫(xiě)狀態(tài)寄存器01READ0x03讀數(shù)據(jù)31~NWRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)31~N跟 NOR Flash 最大的區(qū)別是MRAM 沒(méi)有擦除命令。寫(xiě)入之前不需要發(fā)擦除指令直接 WREN 然后 WRITE 就行。這個(gè)特性讓固件邏輯簡(jiǎn)化了很多不用維護(hù)擦除塊管理。寫(xiě)操作的完整時(shí)序是這樣的拉低 CS發(fā)送 WREN0x06拉高 CS拉低 CS發(fā)送 WRITE0x02發(fā)送 3 字節(jié)地址24位高位在前發(fā)送要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)可以連續(xù)多個(gè)拉高 CS注意第 3 步和第 4 步之間必須拉高 CS這是 WREN 命令生效的必要條件。我一開(kāi)始沒(méi)注意這個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 連在一起發(fā)結(jié)果寫(xiě)入一直失敗。后來(lái)看數(shù)據(jù)手冊(cè)才發(fā)現(xiàn)WREN 需要 CS 的上升沿來(lái)鎖存。讀操作簡(jiǎn)單一些拉低 CS發(fā)送 READ0x03發(fā)送 3 字節(jié)地址讀取數(shù)據(jù)字節(jié)可以連續(xù)多個(gè)拉高 CS讀操作不需要 WREN也不需要等待。MRAM 的讀取是即時(shí)的沒(méi)有 NOR Flash 那種等待周期。3.3 HAL 庫(kù)驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)基于 STM32 HAL 庫(kù)我封裝了幾個(gè)核心函數(shù)。先看初始化部分#include stm32f4xx_hal.h extern SPI_HandleTypeDef hspi2; #define MRAM_CS_PIN GPIO_PIN_12 #define MRAM_CS_PORT GPIOB #define MRAM_CMD_WREN 0x06 #define MRAM_CMD_WRDI 0x04 #define MRAM_CMD_RDSR 0x05 #define MRAM_CMD_WRSR 0x01 #define MRAM_CMD_READ 0x03 #define MRAM_CMD_WRITE 0x02 static void MRAM_CS_Low(void) { HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_PORT, MRAM_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); } static void MRAM_CS_High(void) { HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_PORT, MRAM_CS_PIN, GPIO_PIN_SET); } static uint8_t MRAM_WriteEnable(void) { uint8_t cmd MRAM_CMD_WREN; MRAM_CS_Low(); HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); MRAM_CS_High(); return 0; } static uint8_t MRAM_ReadStatus(void) { uint8_t cmd MRAM_CMD_RDSR; uint8_t status 0; MRAM_CS_Low(); HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Receive(hspi2, status, 1, 100); MRAM_CS_High(); return status; }寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)uint8_t MRAM_Write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) { uint8_t cmd; uint8_t addr_buf[3]; if (addr len 0x80000) { return 1; // 超出512KB范圍 } addr_buf[0] (addr 16) 0xFF; addr_buf[1] (addr 8) 0xFF; addr_buf[2] addr 0xFF; MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_Low(); cmd MRAM_CMD_WRITE; HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, addr_buf, 3, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, data, len, 1000); MRAM_CS_High(); return 0; }讀數(shù)據(jù)函數(shù)uint8_t MRAM_Read(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) { uint8_t cmd; uint8_t addr_buf[3]; if (addr len 0x80000) { return 1; } addr_buf[0] (addr 16) 0xFF; addr_buf[1] (addr 8) 0xFF; addr_buf[2] addr 0xFF; MRAM_CS_Low(); cmd MRAM_CMD_READ; HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, addr_buf, 3, 100); HAL_SPI_Receive(hspi2, data, len, 1000); MRAM_CS_High(); return 0; }這幾個(gè)函數(shù)跑下來(lái)讀寫(xiě)都正常。但有個(gè)性能問(wèn)題每次讀寫(xiě)都要重新拉 CS、發(fā)命令、發(fā)地址開(kāi)銷(xiāo)不小。如果頻繁讀寫(xiě)小數(shù)據(jù)效率會(huì)很低。后面我會(huì)講怎么優(yōu)化。3.4 寫(xiě)入速度實(shí)測(cè)與優(yōu)化我用邏輯分析儀抓了寫(xiě)入 256 字節(jié)的波形算了一下時(shí)間。SPI 時(shí)鐘 11.25MHz每個(gè)字節(jié) 8 位加上命令和地址開(kāi)銷(xiāo)寫(xiě) 256 字節(jié)大概需要 240 微秒左右。理論計(jì)算256 字節(jié) × 8 位 / 11.25MHz ≈ 182 微秒加上命令和地址的 4 字節(jié)開(kāi)銷(xiāo)總共約 185 微秒。實(shí)測(cè) 240 微秒多出來(lái)的部分是 CS 拉高拉低的間隔和 HAL 庫(kù)的函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)。如果要提高寫(xiě)入速度有幾個(gè)方向提高 SPI 時(shí)鐘到 20MHz 以上需要確認(rèn)信號(hào)完整性用 DMA 傳輸替代阻塞式傳輸減少 CS 的切換次數(shù)連續(xù)寫(xiě)入時(shí)保持 CS 低電平我試過(guò)用 DMA 傳輸寫(xiě)入 256 字節(jié)的時(shí)間降到了 150 微秒左右。但 DMA 的配置復(fù)雜一些而且需要處理傳輸完成中斷。對(duì)于數(shù)據(jù)記錄器這種應(yīng)用寫(xiě)入頻率大概每秒幾十次阻塞式傳輸完全夠用沒(méi)必要上 DMA。實(shí)操心得如果你的應(yīng)用需要高頻寫(xiě)入比如每秒上千次建議用 DMA 加雙緩沖。如果只是中低頻記錄阻塞式傳輸更簡(jiǎn)單可靠出問(wèn)題也容易排查。4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)與可靠性設(shè)計(jì)4.1 環(huán)形緩沖區(qū)設(shè)計(jì)512KB 的 MRAM 看起來(lái)不大但如果每條記錄 32 字節(jié)能存 16384 條。按每秒一條算能存 4.5 小時(shí)。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)記錄這個(gè)容量需要配合環(huán)形緩沖區(qū)來(lái)用覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)思路很簡(jiǎn)單維護(hù)一個(gè)寫(xiě)指針每次寫(xiě)入后指針后移寫(xiě)到末尾就回到開(kāi)頭。同時(shí)維護(hù)一個(gè)記錄計(jì)數(shù)器用來(lái)判斷緩沖區(qū)是否已滿(mǎn)。但實(shí)際實(shí)現(xiàn)的時(shí)候有幾個(gè)細(xì)節(jié)要注意。第一個(gè)細(xì)節(jié)是寫(xiě)指針的持久化。如果寫(xiě)指針只存在 RAM 里掉電后就丟了重啟后不知道從哪里繼續(xù)寫(xiě)。所以寫(xiě)指針必須定期存到 MRAM 里。我是在 MRAM 的固定地址比如 0x00000存一個(gè)頭部結(jié)構(gòu)體包含寫(xiě)指針、記錄總數(shù)、校驗(yàn)和。每次寫(xiě)入新記錄后更新頭部。但這樣每次寫(xiě)入都要寫(xiě)兩次 MRAM一次數(shù)據(jù)一次頭部效率減半。優(yōu)化方案是批量更新頭部。比如每寫(xiě)入 100 條記錄才更新一次頭部。掉電時(shí)最多丟失 100 條記錄的指針信息但數(shù)據(jù)本身還在 MRAM 里可以通過(guò)掃描恢復(fù)。這個(gè)取舍要看應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)完整性的要求。第二個(gè)細(xì)節(jié)是記錄格式的設(shè)計(jì)。每條記錄除了數(shù)據(jù)本身還需要一個(gè)時(shí)間戳和一個(gè)校驗(yàn)字段。時(shí)間戳可以用 RTC 提供校驗(yàn)字段用 CRC16 或者簡(jiǎn)單的累加和。我用的結(jié)構(gòu)體是這樣的typedef struct { uint32_t timestamp; uint16_t data_len; uint8_t data[24]; uint16_t crc; } Record_t;這個(gè)結(jié)構(gòu)體 32 字節(jié)剛好對(duì)齊。CRC 計(jì)算覆蓋 timestamp、data_len 和 data 字段。讀取的時(shí)候先校驗(yàn) CRC校驗(yàn)失敗就跳過(guò)這條記錄。4.2 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性MRAM 的掉電保護(hù)能力比 Flash 強(qiáng)很多因?yàn)閷?xiě)入是即時(shí)的不需要等待擦除或者編程完成。但系統(tǒng)級(jí)掉電保護(hù)還是要做因?yàn)?STM32 本身掉電后 GPIO 狀態(tài)不確定可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的 SPI 時(shí)序。我的做法是在電源輸入端加一個(gè)電壓檢測(cè)芯片當(dāng)電壓低于 3.0V 時(shí)觸發(fā)中斷STM32 在中斷里完成當(dāng)前寫(xiě)入操作并拉高 CS然后進(jìn)入停機(jī)模式。這個(gè)窗口大概有幾百微秒足夠完成一次 32 字節(jié)的寫(xiě)入。另外MRAM 的 WP 引腳在正常工作時(shí)拉高但在系統(tǒng)初始化階段我建議先拉低再拉高確保 MRAM 處于已知狀態(tài)。有些批次的 MRAM 在上電瞬間狀態(tài)寄存器可能不確定雖然概率很低但工業(yè)產(chǎn)品要考慮到。注意MR25H40CDF 的狀態(tài)寄存器里有一個(gè) WEL 位寫(xiě)入使能后該位為 1寫(xiě)入完成后自動(dòng)清零。調(diào)試的時(shí)候可以通過(guò)讀狀態(tài)寄存器來(lái)判斷 WREN 是否生效。如果 WEL 一直是 0說(shuō)明 WREN 命令沒(méi)有正確執(zhí)行檢查 CS 時(shí)序。4.3 數(shù)據(jù)讀取與校驗(yàn)流程讀取流程比寫(xiě)入簡(jiǎn)單但校驗(yàn)不能省。我的讀取函數(shù)會(huì)先讀頭部獲取寫(xiě)指針和記錄總數(shù)然后從最舊的記錄開(kāi)始讀逐條校驗(yàn) CRC。如果某條記錄 CRC 失敗就標(biāo)記為無(wú)效并跳過(guò)。實(shí)際跑下來(lái)MRAM 的讀取誤碼率極低三個(gè)月運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)一次 CRC 失敗。但校驗(yàn)邏輯還是要保留因?yàn)楣I(yè)環(huán)境的電磁干擾不可預(yù)測(cè)而且校驗(yàn)開(kāi)銷(xiāo)很小讀 32 字節(jié)多算一個(gè) CRC16 大概多花幾微秒。如果應(yīng)用需要更高的可靠性可以在 MRAM 里存兩份數(shù)據(jù)一份原始數(shù)據(jù)一份備份。讀取的時(shí)候兩份對(duì)比不一致就報(bào)錯(cuò)。但這樣容量減半需要根據(jù)實(shí)際需求權(quán)衡。5. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 SPI 通信失敗的排查思路SPI 通信失敗是最常見(jiàn)的問(wèn)題表現(xiàn)可能是讀出來(lái)全是 0xFF、全是 0x00或者數(shù)據(jù)隨機(jī)。排查的時(shí)候按以下順序來(lái)先看 CS 信號(hào)用示波器或者邏輯分析儀抓 CS 引腳確認(rèn)每次通信前有正確的拉低和拉高。CS 如果一直是低電平MRAM 會(huì)認(rèn)為一直在通信中狀態(tài)機(jī)可能錯(cuò)亂。再看 SCK 和 MOSI確認(rèn)時(shí)鐘極性、相位跟 MRAM 要求的一致。Mode 0 和 Mode 3 的波形差別很大抓一次波形就能看出來(lái)。檢查 MISO如果 MISO 一直高阻可能是 MRAM 沒(méi)有供電或者 CS 沒(méi)有正確拉低。如果 MISO 有信號(hào)但數(shù)據(jù)不對(duì)檢查地址和數(shù)據(jù)順序。讀狀態(tài)寄存器發(fā) RDSR 命令看返回的狀態(tài)字節(jié)。正常情況應(yīng)該是 0x00 或者有 WEL 位。如果返回 0xFF說(shuō)明 MISO 沒(méi)有連通。我遇到過(guò)一次詭異的問(wèn)題讀出來(lái)的數(shù)據(jù)偶爾會(huì)錯(cuò)一位。查了半天發(fā)現(xiàn)是 SPI 時(shí)鐘太快PCB 走線(xiàn)又沒(méi)有做阻抗匹配導(dǎo)致 MISO 上的信號(hào)有反射。把時(shí)鐘從 20MHz 降到 11.25MHz 后問(wèn)題消失。所以遇到偶發(fā)錯(cuò)誤先降速試試。5.2 寫(xiě)入不生效的幾種原因?qū)懭氩簧ǔＳ羞@幾個(gè)原因WREN 沒(méi)有正確執(zhí)行WREN 命令后必須拉高 CS否則寫(xiě)使能不生效。這個(gè)前面強(qiáng)調(diào)過(guò)了。WP 引腳狀態(tài)不對(duì)如果 WP 引腳被拉低狀態(tài)寄存器的 WPEN 位如果使能了寫(xiě)入會(huì)被阻止。檢查 WP 引腳的電平。地址越界MR25H40CDF 的地址范圍是 0x00000 到 0x7FFFF超出這個(gè)范圍的行為未定義。寫(xiě)入前一定要檢查地址。電源電壓不足MRAM 寫(xiě)入時(shí)需要的最低電壓是 2.7V如果電源跌落到 2.5V寫(xiě)入可能失敗。用示波器看寫(xiě)入瞬間的 VDD 波形。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出全 0xFFMISO 未連通檢查 MRAM 供電和 CS確認(rèn)供電和片選讀出全 0x00MOSI 未連通檢查 MOSI 走線(xiàn)修復(fù)走線(xiàn)或換引腳寫(xiě)入后讀回不變WREN 未生效讀狀態(tài)寄存器 WEL 位確保 WREN 后拉高 CS偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SPI 時(shí)鐘過(guò)快降低時(shí)鐘測(cè)試降速或做阻抗匹配寫(xiě)入失敗電源跌落示波器看 VDD增加去耦電容CS 一直低GPIO 配置錯(cuò)誤檢查 GPIO 初始化重新配置推挽輸出5.4 調(diào)試工具與技巧調(diào)試 SPI 設(shè)備邏輯分析儀是必備的。我用的是 Saleae 的 8 通道邏輯分析儀配合它的 SPI 解碼器可以直接看到命令、地址、數(shù)據(jù)的解析結(jié)果。比用示波器一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地?cái)?shù)方便太多了。另外STM32CubeIDE 的調(diào)試功能也可以利用。在 SPI 傳輸函數(shù)里打斷點(diǎn)看 HAL_SPI_Transmit 的返回值。如果返回 HAL_TIMEOUT說(shuō)明 SPI 外設(shè)配置有問(wèn)題如果返回 HAL_OK 但數(shù)據(jù)不對(duì)那就是時(shí)序或者硬件問(wèn)題。還有一個(gè)技巧在 MRAM 的 CS 引腳上接一個(gè) LED通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)每次 CS 拉低時(shí) LED 閃一下。這樣不用儀器也能大致判斷通信是否在發(fā)生。當(dāng)然這個(gè)方法只適合低頻通信高頻下 LED 根本反應(yīng)不過(guò)來(lái)。6. 性能優(yōu)化與擴(kuò)展思路6.1 批量讀寫(xiě)與頁(yè)模式MR25H40CDF 支持連續(xù)讀寫(xiě)也就是一次 CS 周期內(nèi)可以讀寫(xiě)多個(gè)字節(jié)。利用這個(gè)特性可以批量讀寫(xiě)數(shù)據(jù)減少 CS 切換開(kāi)銷(xiāo)。我的數(shù)據(jù)記錄器每次寫(xiě)入 32 字節(jié)如果改成攢夠 256 字節(jié)再寫(xiě)CS 切換次數(shù)減少到原來(lái)的八分之一整體寫(xiě)入效率提升明顯。但批量寫(xiě)入有個(gè)風(fēng)險(xiǎn)如果攢數(shù)據(jù)的過(guò)程中掉電這部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟了。所以批量寫(xiě)入適合對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求不那么苛刻的場(chǎng)景或者配合掉電檢測(cè)使用。6.2 與文件系統(tǒng)的結(jié)合如果應(yīng)用需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理可以在 MRAM 上跑一個(gè)輕量級(jí)文件系統(tǒng)比如 LittleFS 或者 SPIFFS。這兩個(gè)文件系統(tǒng)都是為嵌入式設(shè)計(jì)的支持掉電保護(hù)。但 MRAM 的擦寫(xiě)壽命無(wú)限文件系統(tǒng)的磨損均衡機(jī)制其實(shí)沒(méi)必要反而增加了開(kāi)銷(xiāo)。所以用不用文件系統(tǒng)要看應(yīng)用的數(shù)據(jù)組織需求。我的項(xiàng)目里數(shù)據(jù)格式固定直接用環(huán)形緩沖區(qū)就夠了沒(méi)必要上文件系統(tǒng)。但如果要存日志文件、配置文件、固件備份等多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)會(huì)更方便。6.3 多片 MRAM 擴(kuò)展容量512KB 不夠用的時(shí)候可以?huà)於嗥?MR25H40CDF。SPI 總線(xiàn)可以?huà)於鄠€(gè)從機(jī)每片用一個(gè)獨(dú)立的 CS 引腳。STM32F469II 的 GPIO 足夠多掛 4 片 MRAM 也就多占 4 個(gè)引腳。多片 MRAM 的地址管理有兩種方式一種是線(xiàn)性擴(kuò)展把 4 片當(dāng)成一個(gè) 2MB 的連續(xù)空間地址的高 2 位用來(lái)選片另一種是分片管理每片存不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。線(xiàn)性擴(kuò)展對(duì)上層軟件透明但需要改讀寫(xiě)函數(shù)分片管理更靈活但上層要維護(hù)分片映射。實(shí)操心得多片 MRAM 的時(shí)候SPI 總線(xiàn)的負(fù)載電容會(huì)增加高速通信時(shí)波形可能變差。建議每片 MRAM 的 CS 走線(xiàn)盡量等長(zhǎng)SCK 和 MOSI 走線(xiàn)用菊花鏈或者星型拓?fù)渚唧w看 PCB 布局。6.4 低功耗設(shè)計(jì)考量工業(yè)設(shè)備很多是電池供電或者需要低功耗運(yùn)行。MR25H40CDF 的待機(jī)電流典型值 10uA寫(xiě)入電流 25mA讀取電流 15mA。如果系統(tǒng)大部分時(shí)間在休眠M(jìn)RAM 的待機(jī)功耗可以接受。低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減少 MRAM 的活躍時(shí)間。我的做法是數(shù)據(jù)先緩存在 STM32 的 SRAM 里攢夠一批再寫(xiě)入 MRAM。STM32 在休眠時(shí)MRAM 的 CS 保持高電平SPI 外設(shè)關(guān)閉。喚醒后先初始化 SPI再操作 MRAM。另外MRAM 的 HOLD 引腳可以用來(lái)暫停通信但實(shí)際用處不大因?yàn)?CS 拉高本身就相當(dāng)于暫停。HOLD 引腳在低功耗設(shè)計(jì)里可以直接拉高不用管。7. 實(shí)際項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)這個(gè)項(xiàng)目從選型到量產(chǎn)前后大概花了四個(gè)月。中間踩了不少坑有些是技術(shù)問(wèn)題有些是流程問(wèn)題。挑幾個(gè)有代表性的說(shuō)說(shuō)。第一個(gè)坑是 PCB 布局。第一版板子把 MRAM 放在了 STM32 的背面SPI 走線(xiàn)穿過(guò)板子長(zhǎng)度大概 5cm。結(jié)果 SPI 時(shí)鐘跑到 10MHz 以上就開(kāi)始出錯(cuò)。第二版把 MRAM 挪到 STM32 同一面走線(xiàn)縮短到 2cm問(wèn)題解決。所以 SPI 設(shè)備的布局能近就近別為了省空間把走線(xiàn)拉長(zhǎng)。第二個(gè)坑是電源去耦。第一版板子只在 MRAM 電源引腳放了一個(gè) 100nF 電容寫(xiě)入的時(shí)候偶爾失敗。后來(lái)加了 1uF 電容問(wèn)題消失。MRAM 的寫(xiě)入電流是脈沖式的100nF 的電荷量不夠需要更大的電容來(lái)緩沖。第三個(gè)坑是固件升級(jí)。MRAM 里存的數(shù)據(jù)格式在固件升級(jí)后可能不兼容。我的做法是在 MRAM 頭部加一個(gè)版本號(hào)固件啟動(dòng)時(shí)檢查版本號(hào)不匹配就執(zhí)行數(shù)據(jù)遷移或者清空。這個(gè)機(jī)制在第一次升級(jí)的時(shí)候沒(méi)做導(dǎo)致舊數(shù)據(jù)讀出來(lái)全是亂碼后來(lái)補(bǔ)上了。第四個(gè)坑是測(cè)試覆蓋。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的時(shí)候MRAM 讀寫(xiě)都正常。到了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備裝在變頻器旁邊電磁干擾很強(qiáng)偶爾出現(xiàn)寫(xiě)入失敗。后來(lái)在固件里加了寫(xiě)入后回讀校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就重寫(xiě)問(wèn)題才解決。所以工業(yè)產(chǎn)品的測(cè)試一定要考慮電磁兼容場(chǎng)景。8. 寫(xiě)在最后的一些個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 加 STM32F469II 這套組合在工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景里算是比較省心的方案。MRAM 的無(wú)限擦寫(xiě)和即時(shí)寫(xiě)入特性讓固件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了很多不用再糾結(jié)磨損均衡和擦除管理。STM32F469II 的性能和存儲(chǔ)資源也足夠跑復(fù)雜的應(yīng)用邏輯。如果讓我給正在選型的朋友一個(gè)建議我會(huì)說(shuō)先明確你的數(shù)據(jù)寫(xiě)入頻率和可靠性要求。如果寫(xiě)入頻率低、數(shù)據(jù)量小EEPROM 或者 FRAM 可能更便宜如果需要大容量、低成本NOR Flash 加磨損均衡也能用。但如果你的場(chǎng)景是高頻寫(xiě)入、頻繁掉電、工業(yè)環(huán)境MRAM 多花的那些錢(qián)省下來(lái)的調(diào)試時(shí)間和維護(hù)成本絕對(duì)值得。最后分享一個(gè)小技巧MRAM 的讀寫(xiě)函數(shù)封裝好之后可以寫(xiě)一個(gè)自測(cè)試函數(shù)上電時(shí)跑一遍全片讀寫(xiě)校驗(yàn)。這個(gè)自測(cè)試大概花幾百毫秒但能提前發(fā)現(xiàn)硬件問(wèn)題避免設(shè)備裝到現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)壞了。我在量產(chǎn)固件里加了這個(gè)自測(cè)試返修率明顯下降。 STM32F469II 與 MR25H40CDF MRAM 工業(yè)存儲(chǔ)方案實(shí)戰(zhàn)
1. 為什么 MRAM 在工業(yè)嵌入式場(chǎng)景里越來(lái)越受關(guān)注搞過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)采集或者電力終端的朋友應(yīng)該都有體會(huì)選存儲(chǔ)芯片這件事很多時(shí)候比選主控還讓人頭疼。EEPROM 擦寫(xiě)壽命不夠、FRAM 容量太小、NOR Flash 寫(xiě)入速度慢還怕掉電、SRAM 又得配電池。這幾年 MRAM 慢慢進(jìn)入大家的視野尤其是 Everspin 的 MR25H40 系列4Mbit 容量、SPI 接口、號(hào)稱(chēng)無(wú)限次擦寫(xiě)、掉電數(shù)據(jù)不丟聽(tīng)起來(lái)像是把上面幾個(gè)痛點(diǎn)一次性解決了。我最近在一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器的項(xiàng)目里用 STM32F469II 搭配 MR25H40CDF 做了一套數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案跑了大概三個(gè)月積累了一些實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。這篇文章就把整個(gè)選型思路、硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、踩過(guò)的坑都梳理一遍。不管你是剛接觸 MRAM 的嵌入式新手還是正在做存儲(chǔ)方案選型的老手應(yīng)該都能從中找到有用的東西。MR25H40CDF 是 Everspin 出的 4Mbit512KBSPI MRAM工作電壓 2.7V 到 3.6VSPI 時(shí)鐘最高 40MHz支持標(biāo)準(zhǔn) SPI Mode 0 和 Mode 3。跟傳統(tǒng)存儲(chǔ)方案比它的核心優(yōu)勢(shì)在于寫(xiě)入不需要擦除、寫(xiě)入速度接近 SRAM、擦寫(xiě)次數(shù)理論上無(wú)限官方標(biāo)稱(chēng) 10^14 次以上、數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過(guò) 20 年。這些特性放在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)那種高溫、震動(dòng)、頻繁斷電的環(huán)境里價(jià)值就非常明顯了。STM32F469II 是 ST 家的高性能 M4 系列180MHz 主頻帶 Chrom-ART 圖形加速器2MB Flash、384KB SRAM外設(shè)資源豐富SPI 接口有好幾個(gè)。選它主要是因?yàn)轫?xiàng)目需要驅(qū)動(dòng)一塊 RGB 屏做實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示同時(shí)還要跑數(shù)據(jù)記錄和通信協(xié)議棧F469 的性能和存儲(chǔ)空間都?jí)蛴?。MR25H40CDF 掛在 SPI2 上跟屏幕的 LTDC 接口不沖突整體架構(gòu)比較干凈。2. 方案整體設(shè)計(jì)與關(guān)鍵選型考量2.1 存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)比為什么最終選了 MRAM在確定 MR25H40CDF 之前我對(duì)比了幾種常見(jiàn)的非易失存儲(chǔ)方案。這個(gè)對(duì)比過(guò)程其實(shí)挺關(guān)鍵的因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景下最優(yōu)解完全不一樣。存儲(chǔ)類(lèi)型寫(xiě)入速度擦寫(xiě)壽命掉電保持容量范圍寫(xiě)入前是否需擦除典型功耗EEPROM慢ms級(jí)100萬(wàn)次是KB級(jí)否字節(jié)級(jí)低NOR Flash中等10萬(wàn)次是MB級(jí)是塊級(jí)中FRAM快10^12次是KB~MB否低MRAM快接近SRAM10^14次是KB~MB否中SRAM電池最快無(wú)限依賴(lài)電池MB級(jí)否高含電池維護(hù)從表里能看出來(lái)MRAM 在寫(xiě)入壽命和寫(xiě)入速度這兩個(gè)維度上優(yōu)勢(shì)明顯。工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器需要每秒寫(xiě)入幾十條記錄每條記錄幾十字節(jié)一天下來(lái)寫(xiě)入次數(shù)輕松上萬(wàn)。如果用 EEPROM100萬(wàn)次的壽命大概幾個(gè)月就耗盡了NOR Flash 雖然容量大但塊擦除機(jī)制導(dǎo)致小數(shù)據(jù)頻繁寫(xiě)入時(shí)效率極低還需要額外的磨損均衡算法。MRAM 的字節(jié)級(jí)寫(xiě)入和無(wú)擦除特性讓固件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。FRAM 其實(shí)也是候選但容量做到 512KB 以上的型號(hào)選擇少價(jià)格也不便宜。MR25H40CDF 的 512KB 容量剛好夠存一周的原始數(shù)據(jù)加上 SPI 接口簡(jiǎn)單最終就定了它。2.2 STM32F469II 的 SPI 外設(shè)分配與引腳規(guī)劃STM32F469II 有 6 個(gè) SPI/I2S 接口但不是每個(gè)都適合掛 MRAM。SPI1 通常留給調(diào)試或者高速外設(shè)SPI2 和 SPI3 比較靈活。我最終把 MR25H40CDF 掛在 SPI2 上原因有幾個(gè)SPI2 的引腳PB13/PB14/PB15在 PCB 布局上離 MRAM 芯片近走線(xiàn)短SPI2 不跟 LTDC 的引腳沖突SPI2 的時(shí)鐘源來(lái)自 APB1配置起來(lái)跟系統(tǒng)時(shí)鐘的耦合關(guān)系清晰。片選信號(hào)用的是軟件片選GPIO 選的是 PB12。這里有個(gè)細(xì)節(jié)STM32 的硬件 NSS 在某些模式下會(huì)有時(shí)序問(wèn)題尤其是多從機(jī)場(chǎng)景。軟件片選雖然多占一個(gè) GPIO但控制靈活調(diào)試的時(shí)候也方便用邏輯分析儀抓波形。MR25H40CDF 的 CS 建立時(shí)間和保持時(shí)間要求不苛刻軟件片選完全能滿(mǎn)足。引腳分配如下SPI2_SCK - PB13SPI2_MISO - PB14SPI2_MOSI - PB15MRAM_CS - PB12GPIO 輸出MRAM_WP - 接 VDD不用的寫(xiě)保護(hù)直接拉高M(jìn)RAM_HOLD - 接 VDD不用的保持功能直接拉高注意MR25H40CDF 的 WP 和 HOLD 引腳內(nèi)部沒(méi)有上拉懸空會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)不確定。即使不用這兩個(gè)功能也必須明確拉到 VDD 或 GND。2.3 電源與去耦設(shè)計(jì)要點(diǎn)MRAM 的寫(xiě)入電流比讀取電流大不少尤其是在高頻寫(xiě)入的時(shí)候。MR25H40CDF 的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)寫(xiě)入電流典型值 25mA峰值可能到 40mA。如果電源去耦沒(méi)做好寫(xiě)入瞬間的電壓跌落可能導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。我在 MRAM 的 VDD 引腳旁邊放了兩個(gè)電容一個(gè) 100nF 的陶瓷電容緊貼引腳另一個(gè) 1uF 的陶瓷電容稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)。這兩個(gè)電容的作用不一樣100nF 負(fù)責(zé)濾高頻噪聲1uF 負(fù)責(zé)提供寫(xiě)入瞬間的電荷緩沖。PCB 走線(xiàn)上電源線(xiàn)盡量粗從 LDO 到 MRAM 的路徑上不要有大的電感或者過(guò)孔。另外STM32F469II 和 MR25H40CDF 的電源域要一致。如果 STM32 用 3.3VMRAM 也用 3.3VSPI 電平匹配就沒(méi)問(wèn)題。如果 STM32 用 1.8V 核心電壓但 IO 是 3.3V那也沒(méi)問(wèn)題因?yàn)?F469 的 IO 電壓是可配的。但千萬(wàn)別出現(xiàn) STM32 IO 是 3.3V 而 MRAM 供電是 2.5V 的情況這樣高電平識(shí)別可能出問(wèn)題。3. SPI 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與 MRAM 操作細(xì)節(jié)3.1 STM32CubeMX 配置 SPI2 的關(guān)鍵參數(shù)用 CubeMX 配置 SPI2 的時(shí)候有幾個(gè)參數(shù)需要特別注意。我先把配置截圖的關(guān)鍵項(xiàng)列出來(lái)然后解釋每個(gè)參數(shù)為什么這么選。Mode: Full-Duplex MasterData Size: 8 BitsClock Polarity (CPOL): LowClock Phase (CPHA): 1 EdgeNSS Signal Type: SoftwarePrescaler: 4APB1 時(shí)鐘 45MHzSPI 時(shí)鐘 11.25MHzFirst Bit: MSB FirstCRC Calculation: DisabledCPOL 和 CPHA 的組合決定了 SPI 的工作模式。MR25H40CDF 支持 Mode 0CPOL0, CPHA0和 Mode 3CPOL1, CPHA1。我選的是 Mode 0也就是 CPOL Low、CPHA 1 Edge。這個(gè)模式下時(shí)鐘空閑為低電平數(shù)據(jù)在第一個(gè)邊沿上升沿采樣。用邏輯分析儀抓波形的時(shí)候Mode 0 的波形最直觀(guān)調(diào)試方便。預(yù)分頻系數(shù)選 4SPI 時(shí)鐘跑到 11.25MHz。MR25H40CDF 最高支持 40MHz為什么不用更高的時(shí)鐘因?yàn)?PCB 走線(xiàn)長(zhǎng)度和信號(hào)完整性限制。我的板子上 SPI 走線(xiàn)大概 3cm沒(méi)有做阻抗匹配11.25MHz 下波形還很干凈再高就開(kāi)始出現(xiàn)振鈴了。工業(yè)環(huán)境里穩(wěn)定性比速度重要11.25MHz 的讀取速度已經(jīng)能到 1.4MB/s足夠用了。提示如果你的 PCB 走線(xiàn)很短1cm且做了阻抗控制可以嘗試 20MHz 甚至 40MHz。但建議先用示波器看波形確認(rèn)沒(méi)有過(guò)沖和振鈴再提高頻率。3.2 MR25H40CDF 的命令集與讀寫(xiě)時(shí)序MR25H40CDF 的命令集跟標(biāo)準(zhǔn) SPI Flash 很像但有幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。先看常用命令命令名稱(chēng)命令碼功能說(shuō)明地址字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)WREN0x06寫(xiě)使能00WRDI0x04寫(xiě)禁止00RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器01WRSR0x01寫(xiě)狀態(tài)寄存器01READ0x03讀數(shù)據(jù)31~NWRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)31~N跟 NOR Flash 最大的區(qū)別是MRAM 沒(méi)有擦除命令。寫(xiě)入之前不需要發(fā)擦除指令直接 WREN 然后 WRITE 就行。這個(gè)特性讓固件邏輯簡(jiǎn)化了很多不用維護(hù)擦除塊管理。寫(xiě)操作的完整時(shí)序是這樣的拉低 CS發(fā)送 WREN0x06拉高 CS拉低 CS發(fā)送 WRITE0x02發(fā)送 3 字節(jié)地址24位高位在前發(fā)送要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)可以連續(xù)多個(gè)拉高 CS注意第 3 步和第 4 步之間必須拉高 CS這是 WREN 命令生效的必要條件。我一開(kāi)始沒(méi)注意這個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 連在一起發(fā)結(jié)果寫(xiě)入一直失敗。后來(lái)看數(shù)據(jù)手冊(cè)才發(fā)現(xiàn)WREN 需要 CS 的上升沿來(lái)鎖存。讀操作簡(jiǎn)單一些拉低 CS發(fā)送 READ0x03發(fā)送 3 字節(jié)地址讀取數(shù)據(jù)字節(jié)可以連續(xù)多個(gè)拉高 CS讀操作不需要 WREN也不需要等待。MRAM 的讀取是即時(shí)的沒(méi)有 NOR Flash 那種等待周期。3.3 HAL 庫(kù)驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)基于 STM32 HAL 庫(kù)我封裝了幾個(gè)核心函數(shù)。先看初始化部分#include stm32f4xx_hal.h extern SPI_HandleTypeDef hspi2; #define MRAM_CS_PIN GPIO_PIN_12 #define MRAM_CS_PORT GPIOB #define MRAM_CMD_WREN 0x06 #define MRAM_CMD_WRDI 0x04 #define MRAM_CMD_RDSR 0x05 #define MRAM_CMD_WRSR 0x01 #define MRAM_CMD_READ 0x03 #define MRAM_CMD_WRITE 0x02 static void MRAM_CS_Low(void) { HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_PORT, MRAM_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); } static void MRAM_CS_High(void) { HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_PORT, MRAM_CS_PIN, GPIO_PIN_SET); } static uint8_t MRAM_WriteEnable(void) { uint8_t cmd MRAM_CMD_WREN; MRAM_CS_Low(); HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); MRAM_CS_High(); return 0; } static uint8_t MRAM_ReadStatus(void) { uint8_t cmd MRAM_CMD_RDSR; uint8_t status 0; MRAM_CS_Low(); HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Receive(hspi2, status, 1, 100); MRAM_CS_High(); return status; }寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)uint8_t MRAM_Write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) { uint8_t cmd; uint8_t addr_buf[3]; if (addr len 0x80000) { return 1; // 超出512KB范圍 } addr_buf[0] (addr 16) 0xFF; addr_buf[1] (addr 8) 0xFF; addr_buf[2] addr 0xFF; MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_Low(); cmd MRAM_CMD_WRITE; HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, addr_buf, 3, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, data, len, 1000); MRAM_CS_High(); return 0; }讀數(shù)據(jù)函數(shù)uint8_t MRAM_Read(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) { uint8_t cmd; uint8_t addr_buf[3]; if (addr len 0x80000) { return 1; } addr_buf[0] (addr 16) 0xFF; addr_buf[1] (addr 8) 0xFF; addr_buf[2] addr 0xFF; MRAM_CS_Low(); cmd MRAM_CMD_READ; HAL_SPI_Transmit(hspi2, cmd, 1, 100); HAL_SPI_Transmit(hspi2, addr_buf, 3, 100); HAL_SPI_Receive(hspi2, data, len, 1000); MRAM_CS_High(); return 0; }這幾個(gè)函數(shù)跑下來(lái)讀寫(xiě)都正常。但有個(gè)性能問(wèn)題每次讀寫(xiě)都要重新拉 CS、發(fā)命令、發(fā)地址開(kāi)銷(xiāo)不小。如果頻繁讀寫(xiě)小數(shù)據(jù)效率會(huì)很低。后面我會(huì)講怎么優(yōu)化。3.4 寫(xiě)入速度實(shí)測(cè)與優(yōu)化我用邏輯分析儀抓了寫(xiě)入 256 字節(jié)的波形算了一下時(shí)間。SPI 時(shí)鐘 11.25MHz每個(gè)字節(jié) 8 位加上命令和地址開(kāi)銷(xiāo)寫(xiě) 256 字節(jié)大概需要 240 微秒左右。理論計(jì)算256 字節(jié) × 8 位 / 11.25MHz ≈ 182 微秒加上命令和地址的 4 字節(jié)開(kāi)銷(xiāo)總共約 185 微秒。實(shí)測(cè) 240 微秒多出來(lái)的部分是 CS 拉高拉低的間隔和 HAL 庫(kù)的函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)。如果要提高寫(xiě)入速度有幾個(gè)方向提高 SPI 時(shí)鐘到 20MHz 以上需要確認(rèn)信號(hào)完整性用 DMA 傳輸替代阻塞式傳輸減少 CS 的切換次數(shù)連續(xù)寫(xiě)入時(shí)保持 CS 低電平我試過(guò)用 DMA 傳輸寫(xiě)入 256 字節(jié)的時(shí)間降到了 150 微秒左右。但 DMA 的配置復(fù)雜一些而且需要處理傳輸完成中斷。對(duì)于數(shù)據(jù)記錄器這種應(yīng)用寫(xiě)入頻率大概每秒幾十次阻塞式傳輸完全夠用沒(méi)必要上 DMA。實(shí)操心得如果你的應(yīng)用需要高頻寫(xiě)入比如每秒上千次建議用 DMA 加雙緩沖。如果只是中低頻記錄阻塞式傳輸更簡(jiǎn)單可靠出問(wèn)題也容易排查。4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)與可靠性設(shè)計(jì)4.1 環(huán)形緩沖區(qū)設(shè)計(jì)512KB 的 MRAM 看起來(lái)不大但如果每條記錄 32 字節(jié)能存 16384 條。按每秒一條算能存 4.5 小時(shí)。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)記錄這個(gè)容量需要配合環(huán)形緩沖區(qū)來(lái)用覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)思路很簡(jiǎn)單維護(hù)一個(gè)寫(xiě)指針每次寫(xiě)入后指針后移寫(xiě)到末尾就回到開(kāi)頭。同時(shí)維護(hù)一個(gè)記錄計(jì)數(shù)器用來(lái)判斷緩沖區(qū)是否已滿(mǎn)。但實(shí)際實(shí)現(xiàn)的時(shí)候有幾個(gè)細(xì)節(jié)要注意。第一個(gè)細(xì)節(jié)是寫(xiě)指針的持久化。如果寫(xiě)指針只存在 RAM 里掉電后就丟了重啟后不知道從哪里繼續(xù)寫(xiě)。所以寫(xiě)指針必須定期存到 MRAM 里。我是在 MRAM 的固定地址比如 0x00000存一個(gè)頭部結(jié)構(gòu)體包含寫(xiě)指針、記錄總數(shù)、校驗(yàn)和。每次寫(xiě)入新記錄后更新頭部。但這樣每次寫(xiě)入都要寫(xiě)兩次 MRAM一次數(shù)據(jù)一次頭部效率減半。優(yōu)化方案是批量更新頭部。比如每寫(xiě)入 100 條記錄才更新一次頭部。掉電時(shí)最多丟失 100 條記錄的指針信息但數(shù)據(jù)本身還在 MRAM 里可以通過(guò)掃描恢復(fù)。這個(gè)取舍要看應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)完整性的要求。第二個(gè)細(xì)節(jié)是記錄格式的設(shè)計(jì)。每條記錄除了數(shù)據(jù)本身還需要一個(gè)時(shí)間戳和一個(gè)校驗(yàn)字段。時(shí)間戳可以用 RTC 提供校驗(yàn)字段用 CRC16 或者簡(jiǎn)單的累加和。我用的結(jié)構(gòu)體是這樣的typedef struct { uint32_t timestamp; uint16_t data_len; uint8_t data[24]; uint16_t crc; } Record_t;這個(gè)結(jié)構(gòu)體 32 字節(jié)剛好對(duì)齊。CRC 計(jì)算覆蓋 timestamp、data_len 和 data 字段。讀取的時(shí)候先校驗(yàn) CRC校驗(yàn)失敗就跳過(guò)這條記錄。4.2 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性MRAM 的掉電保護(hù)能力比 Flash 強(qiáng)很多因?yàn)閷?xiě)入是即時(shí)的不需要等待擦除或者編程完成。但系統(tǒng)級(jí)掉電保護(hù)還是要做因?yàn)?STM32 本身掉電后 GPIO 狀態(tài)不確定可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的 SPI 時(shí)序。我的做法是在電源輸入端加一個(gè)電壓檢測(cè)芯片當(dāng)電壓低于 3.0V 時(shí)觸發(fā)中斷STM32 在中斷里完成當(dāng)前寫(xiě)入操作并拉高 CS然后進(jìn)入停機(jī)模式。這個(gè)窗口大概有幾百微秒足夠完成一次 32 字節(jié)的寫(xiě)入。另外MRAM 的 WP 引腳在正常工作時(shí)拉高但在系統(tǒng)初始化階段我建議先拉低再拉高確保 MRAM 處于已知狀態(tài)。有些批次的 MRAM 在上電瞬間狀態(tài)寄存器可能不確定雖然概率很低但工業(yè)產(chǎn)品要考慮到。注意MR25H40CDF 的狀態(tài)寄存器里有一個(gè) WEL 位寫(xiě)入使能后該位為 1寫(xiě)入完成后自動(dòng)清零。調(diào)試的時(shí)候可以通過(guò)讀狀態(tài)寄存器來(lái)判斷 WREN 是否生效。如果 WEL 一直是 0說(shuō)明 WREN 命令沒(méi)有正確執(zhí)行檢查 CS 時(shí)序。4.3 數(shù)據(jù)讀取與校驗(yàn)流程讀取流程比寫(xiě)入簡(jiǎn)單但校驗(yàn)不能省。我的讀取函數(shù)會(huì)先讀頭部獲取寫(xiě)指針和記錄總數(shù)然后從最舊的記錄開(kāi)始讀逐條校驗(yàn) CRC。如果某條記錄 CRC 失敗就標(biāo)記為無(wú)效并跳過(guò)。實(shí)際跑下來(lái)MRAM 的讀取誤碼率極低三個(gè)月運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)一次 CRC 失敗。但校驗(yàn)邏輯還是要保留因?yàn)楣I(yè)環(huán)境的電磁干擾不可預(yù)測(cè)而且校驗(yàn)開(kāi)銷(xiāo)很小讀 32 字節(jié)多算一個(gè) CRC16 大概多花幾微秒。如果應(yīng)用需要更高的可靠性可以在 MRAM 里存兩份數(shù)據(jù)一份原始數(shù)據(jù)一份備份。讀取的時(shí)候兩份對(duì)比不一致就報(bào)錯(cuò)。但這樣容量減半需要根據(jù)實(shí)際需求權(quán)衡。5. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 SPI 通信失敗的排查思路SPI 通信失敗是最常見(jiàn)的問(wèn)題表現(xiàn)可能是讀出來(lái)全是 0xFF、全是 0x00或者數(shù)據(jù)隨機(jī)。排查的時(shí)候按以下順序來(lái)先看 CS 信號(hào)用示波器或者邏輯分析儀抓 CS 引腳確認(rèn)每次通信前有正確的拉低和拉高。CS 如果一直是低電平MRAM 會(huì)認(rèn)為一直在通信中狀態(tài)機(jī)可能錯(cuò)亂。再看 SCK 和 MOSI確認(rèn)時(shí)鐘極性、相位跟 MRAM 要求的一致。Mode 0 和 Mode 3 的波形差別很大抓一次波形就能看出來(lái)。檢查 MISO如果 MISO 一直高阻可能是 MRAM 沒(méi)有供電或者 CS 沒(méi)有正確拉低。如果 MISO 有信號(hào)但數(shù)據(jù)不對(duì)檢查地址和數(shù)據(jù)順序。讀狀態(tài)寄存器發(fā) RDSR 命令看返回的狀態(tài)字節(jié)。正常情況應(yīng)該是 0x00 或者有 WEL 位。如果返回 0xFF說(shuō)明 MISO 沒(méi)有連通。我遇到過(guò)一次詭異的問(wèn)題讀出來(lái)的數(shù)據(jù)偶爾會(huì)錯(cuò)一位。查了半天發(fā)現(xiàn)是 SPI 時(shí)鐘太快PCB 走線(xiàn)又沒(méi)有做阻抗匹配導(dǎo)致 MISO 上的信號(hào)有反射。把時(shí)鐘從 20MHz 降到 11.25MHz 后問(wèn)題消失。所以遇到偶發(fā)錯(cuò)誤先降速試試。5.2 寫(xiě)入不生效的幾種原因?qū)懭氩簧ǔＳ羞@幾個(gè)原因WREN 沒(méi)有正確執(zhí)行WREN 命令后必須拉高 CS否則寫(xiě)使能不生效。這個(gè)前面強(qiáng)調(diào)過(guò)了。WP 引腳狀態(tài)不對(duì)如果 WP 引腳被拉低狀態(tài)寄存器的 WPEN 位如果使能了寫(xiě)入會(huì)被阻止。檢查 WP 引腳的電平。地址越界MR25H40CDF 的地址范圍是 0x00000 到 0x7FFFF超出這個(gè)范圍的行為未定義。寫(xiě)入前一定要檢查地址。電源電壓不足MRAM 寫(xiě)入時(shí)需要的最低電壓是 2.7V如果電源跌落到 2.5V寫(xiě)入可能失敗。用示波器看寫(xiě)入瞬間的 VDD 波形。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出全 0xFFMISO 未連通檢查 MRAM 供電和 CS確認(rèn)供電和片選讀出全 0x00MOSI 未連通檢查 MOSI 走線(xiàn)修復(fù)走線(xiàn)或換引腳寫(xiě)入后讀回不變WREN 未生效讀狀態(tài)寄存器 WEL 位確保 WREN 后拉高 CS偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SPI 時(shí)鐘過(guò)快降低時(shí)鐘測(cè)試降速或做阻抗匹配寫(xiě)入失敗電源跌落示波器看 VDD增加去耦電容CS 一直低GPIO 配置錯(cuò)誤檢查 GPIO 初始化重新配置推挽輸出5.4 調(diào)試工具與技巧調(diào)試 SPI 設(shè)備邏輯分析儀是必備的。我用的是 Saleae 的 8 通道邏輯分析儀配合它的 SPI 解碼器可以直接看到命令、地址、數(shù)據(jù)的解析結(jié)果。比用示波器一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地?cái)?shù)方便太多了。另外STM32CubeIDE 的調(diào)試功能也可以利用。在 SPI 傳輸函數(shù)里打斷點(diǎn)看 HAL_SPI_Transmit 的返回值。如果返回 HAL_TIMEOUT說(shuō)明 SPI 外設(shè)配置有問(wèn)題如果返回 HAL_OK 但數(shù)據(jù)不對(duì)那就是時(shí)序或者硬件問(wèn)題。還有一個(gè)技巧在 MRAM 的 CS 引腳上接一個(gè) LED通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)每次 CS 拉低時(shí) LED 閃一下。這樣不用儀器也能大致判斷通信是否在發(fā)生。當(dāng)然這個(gè)方法只適合低頻通信高頻下 LED 根本反應(yīng)不過(guò)來(lái)。6. 性能優(yōu)化與擴(kuò)展思路6.1 批量讀寫(xiě)與頁(yè)模式MR25H40CDF 支持連續(xù)讀寫(xiě)也就是一次 CS 周期內(nèi)可以讀寫(xiě)多個(gè)字節(jié)。利用這個(gè)特性可以批量讀寫(xiě)數(shù)據(jù)減少 CS 切換開(kāi)銷(xiāo)。我的數(shù)據(jù)記錄器每次寫(xiě)入 32 字節(jié)如果改成攢夠 256 字節(jié)再寫(xiě)CS 切換次數(shù)減少到原來(lái)的八分之一整體寫(xiě)入效率提升明顯。但批量寫(xiě)入有個(gè)風(fēng)險(xiǎn)如果攢數(shù)據(jù)的過(guò)程中掉電這部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟了。所以批量寫(xiě)入適合對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求不那么苛刻的場(chǎng)景或者配合掉電檢測(cè)使用。6.2 與文件系統(tǒng)的結(jié)合如果應(yīng)用需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理可以在 MRAM 上跑一個(gè)輕量級(jí)文件系統(tǒng)比如 LittleFS 或者 SPIFFS。這兩個(gè)文件系統(tǒng)都是為嵌入式設(shè)計(jì)的支持掉電保護(hù)。但 MRAM 的擦寫(xiě)壽命無(wú)限文件系統(tǒng)的磨損均衡機(jī)制其實(shí)沒(méi)必要反而增加了開(kāi)銷(xiāo)。所以用不用文件系統(tǒng)要看應(yīng)用的數(shù)據(jù)組織需求。我的項(xiàng)目里數(shù)據(jù)格式固定直接用環(huán)形緩沖區(qū)就夠了沒(méi)必要上文件系統(tǒng)。但如果要存日志文件、配置文件、固件備份等多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)會(huì)更方便。6.3 多片 MRAM 擴(kuò)展容量512KB 不夠用的時(shí)候可以?huà)於嗥?MR25H40CDF。SPI 總線(xiàn)可以?huà)於鄠€(gè)從機(jī)每片用一個(gè)獨(dú)立的 CS 引腳。STM32F469II 的 GPIO 足夠多掛 4 片 MRAM 也就多占 4 個(gè)引腳。多片 MRAM 的地址管理有兩種方式一種是線(xiàn)性擴(kuò)展把 4 片當(dāng)成一個(gè) 2MB 的連續(xù)空間地址的高 2 位用來(lái)選片另一種是分片管理每片存不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。線(xiàn)性擴(kuò)展對(duì)上層軟件透明但需要改讀寫(xiě)函數(shù)分片管理更靈活但上層要維護(hù)分片映射。實(shí)操心得多片 MRAM 的時(shí)候SPI 總線(xiàn)的負(fù)載電容會(huì)增加高速通信時(shí)波形可能變差。建議每片 MRAM 的 CS 走線(xiàn)盡量等長(zhǎng)SCK 和 MOSI 走線(xiàn)用菊花鏈或者星型拓?fù)渚唧w看 PCB 布局。6.4 低功耗設(shè)計(jì)考量工業(yè)設(shè)備很多是電池供電或者需要低功耗運(yùn)行。MR25H40CDF 的待機(jī)電流典型值 10uA寫(xiě)入電流 25mA讀取電流 15mA。如果系統(tǒng)大部分時(shí)間在休眠M(jìn)RAM 的待機(jī)功耗可以接受。低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減少 MRAM 的活躍時(shí)間。我的做法是數(shù)據(jù)先緩存在 STM32 的 SRAM 里攢夠一批再寫(xiě)入 MRAM。STM32 在休眠時(shí)MRAM 的 CS 保持高電平SPI 外設(shè)關(guān)閉。喚醒后先初始化 SPI再操作 MRAM。另外MRAM 的 HOLD 引腳可以用來(lái)暫停通信但實(shí)際用處不大因?yàn)?CS 拉高本身就相當(dāng)于暫停。HOLD 引腳在低功耗設(shè)計(jì)里可以直接拉高不用管。7. 實(shí)際項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)這個(gè)項(xiàng)目從選型到量產(chǎn)前后大概花了四個(gè)月。中間踩了不少坑有些是技術(shù)問(wèn)題有些是流程問(wèn)題。挑幾個(gè)有代表性的說(shuō)說(shuō)。第一個(gè)坑是 PCB 布局。第一版板子把 MRAM 放在了 STM32 的背面SPI 走線(xiàn)穿過(guò)板子長(zhǎng)度大概 5cm。結(jié)果 SPI 時(shí)鐘跑到 10MHz 以上就開(kāi)始出錯(cuò)。第二版把 MRAM 挪到 STM32 同一面走線(xiàn)縮短到 2cm問(wèn)題解決。所以 SPI 設(shè)備的布局能近就近別為了省空間把走線(xiàn)拉長(zhǎng)。第二個(gè)坑是電源去耦。第一版板子只在 MRAM 電源引腳放了一個(gè) 100nF 電容寫(xiě)入的時(shí)候偶爾失敗。后來(lái)加了 1uF 電容問(wèn)題消失。MRAM 的寫(xiě)入電流是脈沖式的100nF 的電荷量不夠需要更大的電容來(lái)緩沖。第三個(gè)坑是固件升級(jí)。MRAM 里存的數(shù)據(jù)格式在固件升級(jí)后可能不兼容。我的做法是在 MRAM 頭部加一個(gè)版本號(hào)固件啟動(dòng)時(shí)檢查版本號(hào)不匹配就執(zhí)行數(shù)據(jù)遷移或者清空。這個(gè)機(jī)制在第一次升級(jí)的時(shí)候沒(méi)做導(dǎo)致舊數(shù)據(jù)讀出來(lái)全是亂碼后來(lái)補(bǔ)上了。第四個(gè)坑是測(cè)試覆蓋。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的時(shí)候MRAM 讀寫(xiě)都正常。到了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備裝在變頻器旁邊電磁干擾很強(qiáng)偶爾出現(xiàn)寫(xiě)入失敗。后來(lái)在固件里加了寫(xiě)入后回讀校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就重寫(xiě)問(wèn)題才解決。所以工業(yè)產(chǎn)品的測(cè)試一定要考慮電磁兼容場(chǎng)景。8. 寫(xiě)在最后的一些個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 加 STM32F469II 這套組合在工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景里算是比較省心的方案。MRAM 的無(wú)限擦寫(xiě)和即時(shí)寫(xiě)入特性讓固件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了很多不用再糾結(jié)磨損均衡和擦除管理。STM32F469II 的性能和存儲(chǔ)資源也足夠跑復(fù)雜的應(yīng)用邏輯。如果讓我給正在選型的朋友一個(gè)建議我會(huì)說(shuō)先明確你的數(shù)據(jù)寫(xiě)入頻率和可靠性要求。如果寫(xiě)入頻率低、數(shù)據(jù)量小EEPROM 或者 FRAM 可能更便宜如果需要大容量、低成本NOR Flash 加磨損均衡也能用。但如果你的場(chǎng)景是高頻寫(xiě)入、頻繁掉電、工業(yè)環(huán)境MRAM 多花的那些錢(qián)省下來(lái)的調(diào)試時(shí)間和維護(hù)成本絕對(duì)值得。最后分享一個(gè)小技巧MRAM 的讀寫(xiě)函數(shù)封裝好之后可以寫(xiě)一個(gè)自測(cè)試函數(shù)上電時(shí)跑一遍全片讀寫(xiě)校驗(yàn)。這個(gè)自測(cè)試大概花幾百毫秒但能提前發(fā)現(xiàn)硬件問(wèn)題避免設(shè)備裝到現(xiàn)場(chǎng)才發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)壞了。我在量產(chǎn)固件里加了這個(gè)自測(cè)試返修率明顯下降。