1. 先說(shuō)說(shuō)這個(gè)組合解決的具體問(wèn)題1.1 一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目場(chǎng)景前陣子我在做一臺(tái)工業(yè)控制器的數(shù)據(jù)管理模塊需求很直白設(shè)備要持續(xù)記錄運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警事件、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間還要保存用戶配置。這些數(shù)據(jù)有個(gè)共同點(diǎn)——變化頻繁而且必須在掉電瞬間之后仍然存在。最初我想用傳統(tǒng)的 SPI NOR Flash因?yàn)槿萘看蟆⒊杀镜徒Y(jié)果一算賬就發(fā)現(xiàn)不對(duì)設(shè)備每分鐘要寫(xiě)一條日志每條日志幾十字節(jié)一天下來(lái)上萬(wàn)次寫(xiě)操作一年幾百萬(wàn)次。普通 SPI Flash 的扇區(qū)擦寫(xiě)壽命通常在十萬(wàn)次級(jí)別就算做磨損均衡也就撐一兩年根本扛不住長(zhǎng)期的頻繁寫(xiě)入。后來(lái)我把目光轉(zhuǎn)向 EEPROM壽命倒是夠了但容量小、速度慢大一點(diǎn)的型號(hào)又貴得離譜。再后來(lái)了解到了 MRAM——磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器主角就是 Everspin 的 MR25H40CDF。這顆芯片是 4Mbit 容量SPI 接口擦寫(xiě)次數(shù)高到幾乎不用考慮壽命問(wèn)題寫(xiě)入速度接近 SRAM而且掉電數(shù)據(jù)不丟。搭配 Microchip 的 PIC32MX675F512L兩者通過(guò) SPI 對(duì)接既解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的瓶頸又保留了工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍和可靠性。這篇文章就把整個(gè)過(guò)程拆開(kāi)講清楚從選型、硬件連接、驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)抗干擾包括我實(shí)際踩過(guò)的坑和驗(yàn)證方法。如果你也在做需要頻繁非易失寫(xiě)入的嵌入式項(xiàng)目這個(gè)組合值得參考。1.2 三張存儲(chǔ)介質(zhì)的關(guān)鍵對(duì)比工業(yè)嵌入式里最常見(jiàn)的非易失存儲(chǔ)就是 Flash 和 EEPROMMRAM 相對(duì)小眾但它的特性恰好補(bǔ)上了前兩者的短板。我整理過(guò)一張對(duì)比表直接看結(jié)論特性SPI NOR FlashSPI EEPROM如25AA256MR25H40CDFMRAM寫(xiě)入方式先擦后寫(xiě)按扇區(qū)擦除按字節(jié)寫(xiě)直接覆蓋寫(xiě)無(wú)需擦除單次寫(xiě)入耗時(shí)擦除幾百毫秒編程微秒級(jí)3~5ms納秒級(jí)自動(dòng)完成SPI 傳輸即寫(xiě)入寫(xiě)耐久性約10萬(wàn)次/扇區(qū)100萬(wàn)次左右10^12次以上工程上可視為無(wú)限數(shù)據(jù)保持20年100年20年以上最大SPI時(shí)鐘通常80~133MHz10~20MHz40MHz容量覆蓋1Mbit~1Gbit256bit~1Mbit256Kbit~32Mbit有幾個(gè)點(diǎn)需要特別解釋。第一是擦除問(wèn)題Flash 想改寫(xiě)一個(gè)字節(jié)得先把整個(gè)扇區(qū)讀出來(lái)、擦掉、再寫(xiě)回去這個(gè)步驟在頻繁小數(shù)據(jù)寫(xiě)入場(chǎng)景里是災(zāi)難MRAM 是隨機(jī)存取按字節(jié)直接覆蓋沒(méi)有擦除概念。第二是寫(xiě)入耐久性工業(yè)設(shè)備往往有一個(gè)隱含指標(biāo)——全生命周期內(nèi)不能因?yàn)榇鎯?chǔ)介質(zhì)磨損而返修MRAM 的 10^12 次寫(xiě)耐久性意味著即使每秒寫(xiě)一次也能用三萬(wàn)年這基本把磨損問(wèn)題從設(shè)計(jì)清單里劃掉了。第三是寫(xiě)周期EEPROM 寫(xiě)一個(gè)字節(jié)要幾毫秒中間掉電就可能寫(xiě)壞MRAM 的寫(xiě)操作在 SPI 時(shí)鐘沿就完成了沒(méi)有編程進(jìn)行中的長(zhǎng)窗口這讓掉電保護(hù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多。1.3 為什么最終鎖定 MR25H40CDF確定要上 MRAM 之后我在選型上還對(duì)比過(guò)幾顆不同封裝的芯片最終選了 MR25H40CDF理由有三條。一是容量合適4Mbit 即 512KB工業(yè)設(shè)備存配置、日志、曲線數(shù)據(jù)都?jí)蛴貌幌?EEPROM 那樣捉襟見(jiàn)肘。二是 SPI 接口通用性強(qiáng)PIC32MX675F512L 自帶多個(gè) SPI 外設(shè)軟件上三天就能跑通不像并行接口的 MRAM 那樣占用大量 GPIO。三是封裝和溫度范圍適合工業(yè)環(huán)境MR25H40CDF 是 8 引腳小封裝工業(yè)級(jí)版本支持 -40℃ 到 85℃無(wú)風(fēng)扇機(jī)箱里也能扛得住。另外這顆芯片還帶了 WP寫(xiě)保護(hù)和 HOLD暫停傳輸引腳配合狀態(tài)寄存器可以做硬件級(jí)寫(xiě)保護(hù)這在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)抗干擾設(shè)計(jì)里很有用后面我會(huì)專(zhuān)門(mén)講。存儲(chǔ)部分的關(guān)鍵參數(shù)也值得一提工作電壓 2.7V 到 3.6V正好覆蓋 PIC32MX675F512L 的 3.3V 供電域SPI 模式下支持模式 0 和模式 3兼容性好數(shù)據(jù)保持能力在 85℃ 下也超過(guò) 20 年滿足大多數(shù)設(shè)備生命周期內(nèi)不丟數(shù)據(jù)的驗(yàn)收要求。2. 硬件連接引腳、上拉與電源處理2.1 MR25H40CDF 引腳與信號(hào)說(shuō)明MR25H40CDF 雖然是 8 腳封裝引腳功能一點(diǎn)不少標(biāo)準(zhǔn) SPI 從機(jī)該有的信號(hào)全都有CS#片選低有效一條命令的起始和結(jié)束都靠它界定必須由主機(jī)控制SCK時(shí)鐘SPI 時(shí)鐘輸入芯片所有操作都跟著它走SI數(shù)據(jù)輸入主機(jī)發(fā)給從機(jī)的命令、地址、數(shù)據(jù)都走這根線SO數(shù)據(jù)輸出從機(jī)回給主機(jī)的數(shù)據(jù)走這根線WP#寫(xiě)保護(hù)低電平有效它和狀態(tài)寄存器里的 BP 位配合可以鎖定一塊區(qū)域防止意外寫(xiě)入HOLD#暫停低電平暫停傳輸不使用時(shí)必須拉高否則懸空會(huì)誤觸發(fā)。我畫(huà)不了圖但接線邏輯很清晰。CS# 接 PIC32 的一個(gè)普通 GPIOSCK、SI、SO 接 SPI 外設(shè)的對(duì)應(yīng)引腳WP# 直接拉高或者在軟件里配合狀態(tài)寄存器控制HOLD# 必須可靠接高電平不能懸空。特別注意一點(diǎn)MRAM 的上電時(shí)序沒(méi)有特殊要求不像某些 Flash 校驗(yàn)電壓那么矯情但 3.3V 電源一定要干凈后面會(huì)提到。2.2 PIC32MX675F512L 側(cè) SPI 引腳分配PIC32MX675F512L 是 MIPS M4K 內(nèi)核的 32 位 MCU主頻 80MHz512KB Flash外設(shè)資源相當(dāng)豐富SPI 外設(shè)有好幾個(gè)而且大部分引腳可以通過(guò) PPS外設(shè)引腳選擇重映射到不同 IO。我這次選擇的是 SPI2 外設(shè)引腳分配如下信號(hào)PIC32 引腳復(fù)用功能配置SCK某個(gè)帶 SDI2 復(fù)用功能的引腳RPD10需要查具體數(shù)據(jù)手冊(cè)SDIMRAM 的 SO對(duì)應(yīng) SDI2 輸入通過(guò) PPS 映射SDOMRAM 的 SI對(duì)應(yīng) SDO2 輸出固定映射CS#任意通用 GPIO手動(dòng)控制高低電平這里有一個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)片選不要交給 SPI 外設(shè)的自動(dòng) CS 功能而是用普通 GPIO 手動(dòng)控制。原因有兩個(gè)第一PIC32 的 SPI 外設(shè)自動(dòng)片選在連續(xù)傳輸時(shí)可能出現(xiàn)電平競(jìng)爭(zhēng)而 MRAM 對(duì) CS 的時(shí)序要求嚴(yán)格每條命令都必須由 CS 的下降沿啟動(dòng)、上升沿結(jié)束手動(dòng)控制最穩(wěn)妥第二后續(xù)如果要在同一總線上掛多顆 SPI 設(shè)備手動(dòng) GPIO 做片選也更容易擴(kuò)展。PPS 配置那一步容易出錯(cuò)。PIC32 的引腳重映射需要先解鎖 PPS 寄存器再映射輸出和輸入。輸出引腳用 RPD10R 這類(lèi)寄存器輸入引腳則要用 SDI2R 選擇對(duì)應(yīng)的引腳編號(hào)。我建議直接查數(shù)據(jù)手冊(cè)的PPS Input和PPS Output兩張表把 SCK、SDO、SDI 三者對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系一次配齊避免調(diào)試時(shí)四處試錯(cuò)。2.3 容易踩的硬件細(xì)節(jié)硬件層面我這次踩過(guò)四個(gè)坑值得單獨(dú)列出來(lái)。第一個(gè)是電源去耦。MRAM 雖然是存儲(chǔ)芯片但寫(xiě)入瞬間的電流變化不小如果 VDD 引腳旁邊沒(méi)有足夠容值的去耦電容在批量寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)可能引起電源紋波間接導(dǎo)致誤寫(xiě)入或狀態(tài)寄存器被改。我在 VDD 到 GND 之間放了 0.1uF 陶瓷電容并且靠近引腳放置同時(shí)在 PCB 電源入口處加了一顆 10uF 鉭電容穩(wěn)壓實(shí)測(cè)紋波從 80mV 降到了 20mV 以內(nèi)。第二個(gè)是 HOLD# 引腳的懸空問(wèn)題。第一次打樣時(shí)我為了省事沒(méi)處理 HOLD#結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)偶爾出現(xiàn)通訊卡死的現(xiàn)象——后來(lái)才發(fā)現(xiàn)是 HOLD# 被噪聲拉低芯片暫停傳輸SPI 總線等不到響應(yīng)。解決辦法很簡(jiǎn)單HOLD# 接 10kΩ 上拉到 3.3V。第三個(gè)是 CS# 的沿抖動(dòng)。如果 CS# 拉低后 SCK 就開(kāi)始跑而 CS 線因?yàn)樽呔€過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致邊沿過(guò)緩芯片可能識(shí)別不到有效的命令起始。短距離10cm 以內(nèi)問(wèn)題不大但如果用排線連接建議在 CS# 上并聯(lián)一個(gè) 100pF 電容吸收邊沿噪聲或者干脆降低 SPID 時(shí)鐘速率。第四個(gè)是 WP# 的默認(rèn)狀態(tài)。WP# 懸空時(shí)芯片會(huì)認(rèn)為寫(xiě)保護(hù)無(wú)效電壓不確定容易受干擾。我在 WP# 上接了上拉電阻這樣默認(rèn)情況下允許寫(xiě)入需要保護(hù)時(shí)再通過(guò)軟件拉低或改狀態(tài)寄存器。3. PIC32 SPI 初始化與通信參數(shù)選擇3.1 SPI 模式與時(shí)鐘速率計(jì)算SPI 通信的第一步是確定工作模式。MR25H40CDF 支持 SPI 模式 0 和模式 3我選了最常見(jiàn)的模式 0時(shí)鐘空閑為低、數(shù)據(jù)在上升沿采樣、下降沿變化。PIC32MX675F512L 的 SPI 外設(shè)里時(shí)鐘極性由 CKP 位控制時(shí)鐘邊沿由 CKE 位控制。對(duì)于模式 0參數(shù)組合是 CKP0、CKE1。如果你習(xí)慣用模式 3改成 CKP1、CKE0 即可芯片兩種模式都認(rèn)但主機(jī)和從機(jī)必須一致。時(shí)鐘速率的選擇要同時(shí)考慮兩點(diǎn)芯片支持的上限和 PCB 的信號(hào)質(zhì)量。MR25H40CDF 的規(guī)格書(shū)標(biāo)注最高 SPI 時(shí)鐘 40MHzPIC32 的 SPI 外設(shè)也能跑到幾十兆但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不是實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)走線、連接器、外部電磁干擾都會(huì)讓高速信號(hào)變形。我的經(jīng)驗(yàn)是板內(nèi)短走線用 10MHz經(jīng)過(guò)排線到外部模塊時(shí)壓到 1MHz 以內(nèi)。這個(gè)選擇不是保守而是考慮到 SPI 沒(méi)有內(nèi)置錯(cuò)誤重傳機(jī)制一旦時(shí)鐘沿采到錯(cuò)誤電平就是靜默數(shù)據(jù)損壞寧可慢一點(diǎn)也要穩(wěn)。時(shí)鐘頻率的計(jì)算公式在 PIC32 上是這樣的SPI 時(shí)鐘頻率 Fpb / (2 × (SPIxBRG 1))其中 Fpb 是 SPI 外設(shè)所在總線時(shí)鐘頻率。假設(shè)我的系統(tǒng)把 Fpb 配置為 40MHz目標(biāo)是 2MHz 的 SPI 時(shí)鐘那么SPIxBRG 40MHz / (2 × 2MHz) - 1 9BRG 值取 9實(shí)際時(shí)鐘就是 2MHz。注意 PIC32 的 SPI 波特率寄存器和很多 MCU 不一樣這里的分母有一個(gè)×2我第一次按其他平臺(tái)的公式算結(jié)果時(shí)鐘比預(yù)期快了一倍讀出來(lái)的數(shù)據(jù)全是亂的。3.2 初始化代碼與寄存器注解下面是我實(shí)際使用的 SPI2 初始化代碼基于寄存器直接配置沒(méi)有用 Harmony 圖形工具因?yàn)檫@樣更容易理解每一步在干什么。void SPI2_Init(uint32_t spi_brg) { // 先關(guān)閉 SPI 外設(shè)再改配置避免中間狀態(tài) SPI2CON 0; SPI2STATbits.SPIROV 0; // 清除接收溢出標(biāo)志 // 主模式、模式0CKP0, CKE18位數(shù)據(jù) SPI2CONbits.MSTEN 1; SPI2CONbits.CKP 0; SPI2CONbits.CKE 1; SPI2CONbits.MODE16 0; SPI2CONbits.SSEN 0; // 不使用硬件片選 // 波特率設(shè)置 SPI2BRG spi_brg; // 使能 SPI 外設(shè) SPI2CONbits.ON 1; }PPS 引腳映射也很關(guān)鍵以 SCK 輸出到 RPD10 為例需要在初始化 SPI 之前配置// 解鎖 PPS 寄存器 SYSKEY 0x00000000; SYSKEY 0xAA996655; SYSKEY 0x556699AA; CFGCONbits.IOLOCK 0; // SCK2 輸出映射到 RPD10 RPD10R 0x0009; // 具體編號(hào)查數(shù)據(jù)手冊(cè) SPI2 SCK 的 peripheral pin select 值 // SDI2 輸入選擇為 RPD8對(duì)應(yīng) MRAM 的 SO 引腳 SDI2R 0x0008; // 按實(shí)際空引腳調(diào)整 // 重新鎖定 PPS CFGCONbits.IOLOCK 1; SYSKEY 0x00000000;這里要特別提醒PPS 映射值在不同型號(hào)的 PIC32 上不完全相同一定要以 PIC32MX675F512L 數(shù)據(jù)手冊(cè)的引腳復(fù)用表為準(zhǔn)不要照抄其他型號(hào)的映射值。我一開(kāi)始就是從另一款 PIC32 上抄的映射號(hào)SCK 怎么都不出波形查了好幾小時(shí)才發(fā)現(xiàn)是映射編號(hào)不對(duì)。3.3 關(guān)于 FIFO 和狀態(tài)位的小提醒PIC32 的 SPI 外設(shè)帶緩沖發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不能只往 SPIBUF 里寫(xiě)就完事必須等發(fā)送緩沖區(qū)空。否則連續(xù)寫(xiě)多個(gè)字節(jié)時(shí)第二個(gè)字節(jié)可能覆蓋掉還沒(méi)移位出去的第一個(gè)字節(jié)。我的發(fā)送和接收封裝了等待邏輯uint8_t SPI2_ExchangeByte(uint8_t data) { // 等待發(fā)送緩沖區(qū)空 while (SPI2STATbits.SPITBF 1); SPI2BUF data; // 等待接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù) while (SPI2STATbits.SPIRBF 0); // 檢查接收溢出標(biāo)志若溢出則清除并丟棄數(shù)據(jù) if (SPI2STATbits.SPIROV) { SPI2STATbits.SPIROV 0; return 0xFF; } return SPI2BUF; }接收溢出是我在實(shí)際調(diào)試中遇到的隱性坑。SPI 主模式里每個(gè)時(shí)鐘周期主機(jī)同時(shí)在收和發(fā)如果上一次的數(shù)據(jù)還沒(méi)被軟件讀走下一個(gè)字節(jié)到來(lái)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)溢出SPIROV 置 1后續(xù)數(shù)據(jù)直接丟。這個(gè)標(biāo)志位名字叫溢出很容易被忽略但它恰恰是 SPI 高速傳輸時(shí)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的最常見(jiàn)原因。把檢查邏輯封裝進(jìn)交換函數(shù)后這個(gè)問(wèn)題基本絕跡。還有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)SPI 發(fā)送命令時(shí)MRAM 的 SO 線在命令階段可能輸出的是無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)你在讀取響應(yīng)之前必須先發(fā)送足夠的時(shí)鐘。比如 READ 命令發(fā)完地址后還要再發(fā)一個(gè)字節(jié)的空數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生讀時(shí)鐘這樣SPI2_ExchangeByte(0xFF)的返回值才是真正讀到的內(nèi)存數(shù)據(jù)。這個(gè)細(xì)節(jié)在寫(xiě)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候非常容易漏。4. MRAM 命令集與讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)4.1 命令總覽MR25H40CDF 的命令集不大核心就幾條其余是狀態(tài)寄存器操作和休眠命令。下面是常用命令的助記符和操作碼命令操作碼功能說(shuō)明WREN0x06設(shè)置寫(xiě)使能鎖存位WRDI0x04清除寫(xiě)使能鎖存位RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫(xiě)狀態(tài)寄存器配置塊保護(hù)READ0x03從指定地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)FAST_READ0x0B快速讀帶一個(gè) dummy 字節(jié)WRITE0x02從指定地址開(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)SLEEP0xB9進(jìn)入休眠模式低功耗最需要記住的一條規(guī)則每次 WRITE 命令之前必須發(fā) WREN0x06。MR25H40CDF 和大部分 SPI 存儲(chǔ)芯片一樣上電后寫(xiě)使能是關(guān)閉的這是防止意外寫(xiě)入的第一道保險(xiǎn)。有些 SPI Flash 會(huì)帶一個(gè)寫(xiě)狀態(tài)寄存器命令和寫(xiě)數(shù)據(jù)陣列的命令分開(kāi)使能MRAM 這里更簡(jiǎn)單WREN 之后馬上來(lái) WRITE 就行如果中間插了其他命令寫(xiě)使能位可能被清掉。這個(gè)細(xì)節(jié)我在驅(qū)動(dòng)框架里用狀態(tài)機(jī)處理確保每次寫(xiě)入都是嚴(yán)格WREN 緊跟 WRITE的序列。4.2 讀數(shù)據(jù)單字節(jié)與連續(xù)讀取讀操作不需要寫(xiě)使能CS# 拉低后直接發(fā) READ0x03跟上 24 位地址然后不斷給時(shí)鐘就能把數(shù)據(jù)連續(xù)讀出來(lái)。MRAM 的好處是讀地址自動(dòng)遞增不需要像 Flash 那樣按頁(yè)回繞可以一次性讀完整個(gè) 512KB 空間。單字節(jié)讀的代碼如下uint8_t MRAM_ReadByte(uint32_t addr) { uint8_t data; MRAM_CS_LAT 0; // 片選拉低 SPI2_ExchangeByte(0x03); // READ 命令 SPI2_ExchangeByte((addr 16) 0xFF); // 地址高位 SPI2_ExchangeByte((addr 8) 0xFF); // 地址中位 SPI2_ExchangeByte(addr 0xFF); // 地址低位 data SPI2_ExchangeByte(0xFF); // 讀一個(gè)字節(jié) MRAM_CS_LAT 1; // 片選拉高結(jié)束命令 return data; }連續(xù)讀稍微改一下把最后一步循環(huán)執(zhí)行即可。我自己實(shí)現(xiàn)了一個(gè)帶長(zhǎng)度參數(shù)的批量讀函數(shù)內(nèi)部用指針遍歷這樣初始化時(shí)一次性把整個(gè)配置結(jié)構(gòu)體從 MRAM 拷到 RAM 里運(yùn)行期間所有讀操作都在內(nèi)存完成避免頻繁占用 SPI 總線。void MRAM_ReadBuffer(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len) { uint32_t i; MRAM_CS_LAT 0; SPI2_ExchangeByte(0x03); SPI2_ExchangeByte((addr 16) 0xFF); SPI2_ExchangeByte((addr 8) 0xFF); SPI2_ExchangeByte(addr 0xFF); for (i 0; i len; i) { buf[i] SPI2_ExchangeByte(0xFF); } MRAM_CS_LAT 1; }4.3 寫(xiě)數(shù)據(jù)WREN 的先后順序?qū)懖僮魇?MRAM 最核心的功能也是我重點(diǎn)測(cè)試的部分。流程是CS# 拉低發(fā) WRENCS# 拉高必須拉高WREN 命令本身需要一個(gè)完整的片選周期然后重新拉低 CS#發(fā) WRITE0x02、24 位地址、待寫(xiě)數(shù)據(jù)最后拉高 CS#。字節(jié)寫(xiě)函數(shù)如下void MRAM_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t val) { MRAM_WriteEnable(); // 發(fā) WREN 命令 MRAM_CS_LAT 0; SPI2_ExchangeByte(0x02); // WRITE 命令 SPI2_ExchangeByte((addr 16) 0xFF); SPI2_ExchangeByte((addr 8) 0xFF); SPI2_ExchangeByte(addr 0xFF); SPI2_ExchangeByte(val); // 待寫(xiě)數(shù)據(jù) MRAM_CS_LAT 1; } void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS_LAT 0; SPI2_ExchangeByte(0x06); // WREN MRAM_CS_LAT 1; // WREN 命令結(jié)束 }這里有一個(gè)容易忽略的時(shí)序點(diǎn)MR25H40CDF 的寫(xiě)操作不需要額外的等待忙過(guò)程數(shù)據(jù)在最后一個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘上升沿就進(jìn)入存儲(chǔ)陣列了。這和 EEPROM 完全不同也是它最大的優(yōu)勢(shì)。我最初還按 EEPROM 的習(xí)慣在寫(xiě)完數(shù)據(jù)后加了幾毫秒延時(shí)結(jié)果浪費(fèi)時(shí)間還拖慢了日志寫(xiě)入速度。去掉延時(shí)后實(shí)測(cè)寫(xiě)一個(gè)字節(jié)從 CS 拉低到拉高大約只要 40 個(gè) SPI 時(shí)鐘周期在 10MHz 時(shí)鐘下就是 4 微秒比 EEPROM 快三個(gè)數(shù)量級(jí)。批量寫(xiě)也一樣簡(jiǎn)單WRITE 命令發(fā)出后地址會(huì)自動(dòng)遞增可以連續(xù)寫(xiě)任意長(zhǎng)度沒(méi)有頁(yè)大小限制。我在驅(qū)動(dòng)里做了對(duì)齊檢查但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)即使不對(duì)齊也能寫(xiě)只是工業(yè)上習(xí)慣讓日志記錄按固定長(zhǎng)度對(duì)齊方便后續(xù)解析。4.4 狀態(tài)寄存器與寫(xiě)保護(hù)處理狀態(tài)寄存器是 MRAM 可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。MR25H40CDF 的狀態(tài)寄存器里有寫(xiě)使能鎖存位和塊保護(hù)位。塊保護(hù)BP0、BP1、BP2配合 WP# 引腳可以鎖定存儲(chǔ)區(qū)的上半部分或下半部分防止配置數(shù)據(jù)被意外改寫(xiě)。我的做法是把設(shè)備的關(guān)鍵配置參數(shù)放在地址 0x00000 到 0x00FFF即前 4KB然后通過(guò) WRSR 命令把塊保護(hù)位設(shè)為保護(hù)該區(qū)域同時(shí) WP# 引腳保持高電平。讀取狀態(tài)寄存器的代碼如下uint8_t MRAM_ReadStatus(void) { uint8_t status; MRAM_CS_LAT 0; SPI2_ExchangeByte(0x05); // RDSR 命令 status SPI2_ExchangeByte(0xFF); // 讀狀態(tài)字節(jié) MRAM_CS_LAT 1; return status; }如果要修改塊保護(hù)設(shè)置需要先發(fā) WREN再發(fā) WRSR 命令和新的狀態(tài)字節(jié)。這里有個(gè)細(xì)節(jié)WRSR 命令本身也需要 WREN 前置而且寫(xiě)完?duì)顟B(tài)寄存器后芯片會(huì)短暫處于忙狀態(tài)。雖然 MRAM 沒(méi)有 EEPROM 那種幾毫秒的等待但保險(xiǎn)起見(jiàn)我會(huì)連讀幾次狀態(tài)寄存器確認(rèn)寫(xiě)使能位已經(jīng)被清掉再繼續(xù)后續(xù)操作。這一套流程花不了幾十微秒?yún)s能把狀態(tài)寄存器被干擾改寫(xiě)的概率壓到極低。4.5 一個(gè)可復(fù)用的驅(qū)動(dòng)框架把上面的函數(shù)整合起來(lái)我抽象出一個(gè)簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)框架。核心思路是三個(gè)層次最底層是 SPI 交換函數(shù)中間層是 MRAM 命令封裝上層是帶校驗(yàn)的讀寫(xiě)接口。這里給出中間層的頭文件聲明方便移植到其他平臺(tái)#ifndef MR25H40_H #define MR25H40_H #include stdint.h #define MRAM_SIZE_KB 512 #define MRAM_TOTAL_BYTES (MRAM_SIZE_KB * 1024) // 塊保護(hù)區(qū)域定義 #define MRAM_PROTECT_START 0x00000000 #define MRAM_PROTECT_LEN 0x00001000 // 4KB void MRAM_Init(void); uint8_t MRAM_ReadStatus(void); void MRAM_WriteEnable(void); void MRAM_WriteDisable(void); uint8_t MRAM_ReadByte(uint32_t addr); void MRAM_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t val); void MRAM_ReadBuffer(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len); void MRAM_WriteBuffer(uint32_t addr, const uint8_t *buf, uint32_t len); void MRAM_ConfigWriteProtect(uint8_t enable); #endif這個(gè)框架里我刻意沒(méi)有做磨損均衡因?yàn)?MRAM 不需要。但我在上層做了一層寫(xiě)入校驗(yàn)每次寫(xiě)緩沖之后回讀一遍比對(duì)如果發(fā)現(xiàn)不一致立即重試一次。這個(gè)機(jī)制不是為了防 MRAM 本身失效而是防 SPI 線路上的偶發(fā)干擾后面會(huì)細(xì)說(shuō)。5. 實(shí)測(cè)過(guò)程波形、時(shí)序與現(xiàn)場(chǎng)干擾的排查5.1 邏輯分析儀驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)寫(xiě)完先別急著上系統(tǒng)我用邏輯分析儀抓了 SPI 總線的實(shí)際波形重點(diǎn)驗(yàn)證三件事片選時(shí)序是否正確、命令字節(jié)是否完整、數(shù)據(jù)線在時(shí)鐘沿是否穩(wěn)定。第一版波形就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題CS# 在 WREN 命令之后拉高的時(shí)間太短緊接著又拉低發(fā) WRITE 命令MRAM 有時(shí)候沒(méi)有正確識(shí)別 WREN 的結(jié)束。排查后確認(rèn)是 GPIO 操作之間缺少一點(diǎn)間隔我在MRAM_WriteEnable()的 CS 拉高之后加了一個(gè)空操作延時(shí)問(wèn)題消失。這也解釋了為什么驅(qū)動(dòng)封裝要把CS 時(shí)序當(dāng)作第一優(yōu)先級(jí)來(lái)看待。還有一次我在用 20MHz SPI 時(shí)鐘測(cè)試連續(xù)讀 1KB 數(shù)據(jù)時(shí)邏輯分析儀顯示 SO 線上的數(shù)據(jù)有個(gè)別 bit 毛刺但 MCU 讀回來(lái)卻沒(méi)問(wèn)題。這說(shuō)明時(shí)序裕量雖然夠但波形質(zhì)量已經(jīng)開(kāi)始下降。我從這次測(cè)試得到的結(jié)論是SPI 時(shí)鐘越高對(duì) PCB layout 的要求越苛刻量產(chǎn)板沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室板那么好的布線條件。最終我把量產(chǎn)固件的 SPI 時(shí)鐘固定在 5MHz留足裕量。5.2 現(xiàn)象時(shí)鐘拉高后數(shù)據(jù)偶發(fā)錯(cuò)亂現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)碰到一個(gè)最難纏的問(wèn)題設(shè)備在正常運(yùn)行中偶爾會(huì)出現(xiàn)一條日志數(shù)據(jù)錯(cuò)亂不是整塊丟失而是某個(gè)字節(jié)的某一位被翻轉(zhuǎn)。頻率不高但足以觸發(fā)校驗(yàn)錯(cuò)誤。我一開(kāi)始懷疑是 MRAM 芯片本身有問(wèn)題換了三顆芯片問(wèn)題依舊。后來(lái)把注意力放到 SPI 時(shí)鐘速率上。當(dāng)時(shí)量產(chǎn)固件用的是 10MHz在我自己的測(cè)試板上連續(xù)讀寫(xiě) 100 萬(wàn)次都穩(wěn)定但客戶的設(shè)備裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有電機(jī)、變頻器、接觸器等強(qiáng)干擾源。我懷疑是電磁干擾耦合到了 SPI 排線上導(dǎo)致某個(gè)時(shí)鐘沿采到錯(cuò)誤電平。為了驗(yàn)證我把 SPI 時(shí)鐘從 10MHz 降到 1MHz跑了兩天數(shù)據(jù)錯(cuò)亂再也沒(méi)有出現(xiàn)。5.3 定位鏈路這個(gè)問(wèn)題的定位過(guò)程值得完整記錄因?yàn)檫@類(lèi)偶發(fā)、低頻、無(wú)規(guī)律的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤在嵌入式里最容易被甩鍋給存儲(chǔ)芯片。第一步我先做了存儲(chǔ)芯片的自檢。用固定的偽隨機(jī)序列寫(xiě)入 MRAM讀回比對(duì)連續(xù)跑 100 萬(wàn)次芯片自身零錯(cuò)誤排除芯片壞塊和寫(xiě)失效。第二步做 SPI 協(xié)議層的回環(huán)測(cè)試。把 PIC32 的 SDO 直接短接到 SDIMCU 自發(fā)自收確認(rèn) SPI 外設(shè)本身在 10MHz 時(shí)鐘下沒(méi)有溢出和丟字節(jié)。這一步也沒(méi)有問(wèn)題。第三步加長(zhǎng)排線、靠近電機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)。把 SPI 排線改成 30cm放在變頻器電纜旁邊同樣的偽隨機(jī)寫(xiě)讀測(cè)試開(kāi)始出現(xiàn)零星錯(cuò)誤。這時(shí)基本鎖定是外部干擾。第四步用示波器觀察 SCK 和 SO 線上的波形發(fā)現(xiàn) SO 線上在時(shí)鐘下降沿附近有明顯的振鈴幅度達(dá)到了 0.4V 左右接近邏輯低電平閾值。這就是干擾合入信號(hào)的直接證據(jù)。5.4 對(duì)策與驗(yàn)證針對(duì)這個(gè)定位結(jié)果我做了四項(xiàng)對(duì)策SPI 時(shí)鐘降到 1MHz給信號(hào)電平充分的穩(wěn)定時(shí)間SPI 四根信號(hào)線SCK、SI、SO、CS#在 PCB 上等長(zhǎng)且遠(yuǎn)離電源線排線改用帶接地的屏蔽排線SO 線上串聯(lián) 33Ω 電阻抑制振鈴實(shí)測(cè)振鈴幅度從 0.4V 降到 0.15V軟件上加嚴(yán)格校驗(yàn)寫(xiě)入日志前先計(jì)算累加和寫(xiě)入后讀回驗(yàn)證不一致則重寫(xiě)。這四個(gè)對(duì)策疊加之后我在客戶現(xiàn)場(chǎng)跑了一個(gè)月日志存儲(chǔ)不再出錯(cuò)。這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)對(duì)策 4 不是兜底方案而是最后一道防線。SPI 沒(méi)有硬件握手和 CRC 機(jī)制靠軟件校驗(yàn)才能保證端到端可靠。這也是工業(yè)通信和消費(fèi)電子最明顯的區(qū)別。6. 工業(yè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)完整性設(shè)計(jì)6.1 掉電保護(hù)與寫(xiě)入狀態(tài)機(jī)工業(yè)設(shè)備最核心的可靠性場(chǎng)景就是掉電。設(shè)備可能在寫(xiě)入日志的瞬間斷電也可能在配置數(shù)據(jù)寫(xiě)到一半時(shí)斷電。MR25H40CDF 因?yàn)閷?xiě)入周期短天然比 EEPROM 抗掉電但設(shè)計(jì)上仍然要做掉電保護(hù)機(jī)制。我的做法是引入掉電檢測(cè)。PIC32MX675F512L 內(nèi)置 BOR欠壓復(fù)位模塊當(dāng) VDD 跌落到閾值以下時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)位或中斷。我在軟件里用 BOR 中斷做掉電標(biāo)志一旦檢測(cè)到欠壓立即停止新的寫(xiě)入請(qǐng)求同時(shí)把當(dāng)前正在進(jìn)行的寫(xiě)操作執(zhí)行完因?yàn)?MRAM 寫(xiě)入在幾個(gè) SPI 時(shí)鐘內(nèi)就結(jié)束了所以這個(gè)窗口完全可以覆蓋。掉電保護(hù)的狀態(tài)機(jī)分三態(tài)正常運(yùn)行態(tài)、掉電預(yù)警態(tài)、復(fù)位態(tài)。正常運(yùn)行態(tài)下寫(xiě)操作自由掉電預(yù)警態(tài)下只允許完成當(dāng)前寫(xiě)操作不允許啟動(dòng)新的寫(xiě)操作復(fù)位后從 MRAM 重新加載所有配置。這個(gè)狀態(tài)機(jī)的關(guān)鍵是不能讓軟件在掉電瞬間還去做耗時(shí)的擦除或等待操作MRAM 的優(yōu)勢(shì)在這里發(fā)揮得淋漓盡致——狀態(tài)切換后最多等 10 微秒數(shù)據(jù)就已經(jīng)安全落盤(pán)。6.2 校驗(yàn)與雙備份數(shù)據(jù)完整性光靠存儲(chǔ)介質(zhì)的物理可靠性不夠我在驅(qū)動(dòng)層加了兩層校驗(yàn)。第一層是單條數(shù)據(jù)的累加和。每條日志記錄固定長(zhǎng)度為 64 字節(jié)前 60 字節(jié)是數(shù)據(jù)最后 4 字節(jié)是 CRC32。寫(xiě)入時(shí)算好 CRC 再寫(xiě)讀取時(shí)校驗(yàn) CRC不通過(guò)就標(biāo)記該記錄損壞。CRC32 的查表和計(jì)算可以直接復(fù)用 PIC32 的軟件庫(kù)占用時(shí)間可以忽略。第二層是雙備份區(qū)。配置參數(shù)和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間這類(lèi)關(guān)鍵數(shù)據(jù)我會(huì)在 MRAM 里存兩份分別放在地址 0x01000 和 0x02000 處。每次寫(xiě)入時(shí)先寫(xiě)主區(qū)再寫(xiě)備份區(qū)讀取時(shí)先讀主區(qū)并校驗(yàn)若校驗(yàn)失敗則讀備份區(qū)并修復(fù)主區(qū)。這個(gè)主備互為鏡像的策略在嵌入式存儲(chǔ)里是老生常談但很多人只在 Flash 上做磨損均衡忘了備份區(qū)同樣重要。MRAM 的高壽命讓雙備份的寫(xiě)入頻率不受限制這才真正把設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了。6.3 日志存儲(chǔ)的環(huán)形緩沖設(shè)計(jì)日志類(lèi)數(shù)據(jù)用環(huán)形緩沖最省空間。我把 MRAM 的后 256KB 劃為日志區(qū)按固定 64 字節(jié)一個(gè)記錄組織成一個(gè)環(huán)形隊(duì)列。頭指針和尾指針?lè)謩e存放在兩個(gè)固定的非日志地址每次寫(xiě)入日志時(shí)更新頭指針同時(shí)把舊尾指針區(qū)域的數(shù)據(jù)安全覆蓋。這個(gè)方案的難點(diǎn)在于指針自身的掉電一致性如果在寫(xiě)指針的過(guò)程中掉電下次上電可能讀到半新半舊的指針值導(dǎo)致日志索引錯(cuò)亂。我用了雙指針冗余方案頭指針寫(xiě)兩份每份 4 字節(jié)但兩份內(nèi)容設(shè)計(jì)成互為取反。讀取時(shí)先檢查指針值是否合法如果第一份是半更新?tīng)顟B(tài)就取第二份。這個(gè)處理在 MRAM 上特別簡(jiǎn)單因?yàn)閷?xiě)一個(gè)完整 4 字節(jié)指針只需要一次寫(xiě)操作不存在 Flash 那種先擦后寫(xiě)的半完成窗口。6.4 后續(xù)擴(kuò)展與改進(jìn)方向這套系統(tǒng)跑穩(wěn)定之后我還有幾個(gè)擴(kuò)展方向。一個(gè)是把 MRAM 的休眠模式用起來(lái)。設(shè)備待機(jī)時(shí)通過(guò) SLEEP 命令讓 MR25H40CDF 進(jìn)入低功耗狀態(tài)喚醒只需要 CS# 拉低觸發(fā)一次讀操作。不過(guò)工業(yè)設(shè)備通常不休眠這個(gè)功能只在電池供電的便攜設(shè)備上有意義。另一個(gè)是增加 FRAMFerroelectric RAM對(duì)照測(cè)試。如果項(xiàng)目對(duì)成本更敏感可以把 MRAM 換成富士通或英飛凌的 SPI FRAM 芯片兩者的驅(qū)動(dòng)幾乎完全兼容只需要改命令集里極個(gè)別參數(shù)。MRAM 的優(yōu)勢(shì)在抗輻射和極端溫度FRAM 的優(yōu)勢(shì)在成本看具體場(chǎng)景取舍。最后說(shuō)一點(diǎn)體會(huì)用 MR25H40CDF 和 PIC32MX675F512L 做工業(yè)存儲(chǔ)最大的收益不是省掉了 EEPROM 壽命焦慮而是讓頻繁寫(xiě)、不丟數(shù)這個(gè)需求從系統(tǒng)工程問(wèn)題變成了簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。只要把 SPI 時(shí)序弄扎實(shí)、硬件抗干擾做好、上層校驗(yàn)補(bǔ)完整這套方案幾乎是工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)里最省心的組合之一。如果你正在為日志頻繁寫(xiě)入和掉電保存頭疼建議直接照著上面的思路搭一版試試大概率能少走很多彎路。