動(dòng)MR25H40CDF：MRAM嵌入式存儲(chǔ)實(shí)戰(zhàn))
1. 為什么 MRAM 在嵌入式存儲(chǔ)里越來(lái)越受關(guān)注搞過(guò)工業(yè)設(shè)備或者數(shù)據(jù)采集終端的朋友應(yīng)該都有體會(huì)選存儲(chǔ)芯片這件事看著簡(jiǎn)單實(shí)際上坑特別多。EEPROM 寫(xiě)入慢、壽命有限NOR Flash 擦除塊大、寫(xiě)入前必須擦除FRAM 速度快但容量小、價(jià)格高SRAM 掉電就丟數(shù)據(jù)還得配個(gè)電池或者超級(jí)電容做備份。每次項(xiàng)目做到存儲(chǔ)方案選型這一步都得在速度、壽命、功耗、容量、成本這幾個(gè)維度之間反復(fù)權(quán)衡。MR25H40CDF 這顆芯片的出現(xiàn)算是給了一個(gè)不太一樣的選項(xiàng)。它是一顆 4Mbit 的 MRAM磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器SPI 接口DFN 封裝工作溫度覆蓋工業(yè)級(jí)范圍。MRAM 的核心特點(diǎn)用一句話概括就是像 SRAM 一樣快地讀寫(xiě)像 Flash 一樣掉電不丟數(shù)據(jù)像 EEPROM 一樣能反復(fù)擦寫(xiě)而且?guī)缀鯖](méi)有擦除這個(gè)概念。你不需要先擦后寫(xiě)直接覆蓋就行寫(xiě)入次數(shù)理論上無(wú)限寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)和寫(xiě)入一整頁(yè)在時(shí)間上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。STM32L496ZG 則是 ST 家 L4 系列里資源比較豐富的一款Cortex-M4 內(nèi)核帶 FPU80MHz 主頻1MB Flash320KB SRAM外設(shè)接口齊全SPI 就有好幾個(gè)。L4 系列主打低功耗在很多電池供電或者能量采集的工業(yè)場(chǎng)景里很常見(jiàn)。把 MR25H40CDF 掛在 STM32L496ZG 的 SPI 總線上這套組合特別適合那些需要頻繁記錄數(shù)據(jù)、又要求掉電不丟、還不想操心擦除壽命的場(chǎng)合比如工業(yè)數(shù)據(jù)記錄儀、智能儀表、PLC 的掉電保持區(qū)、醫(yī)療設(shè)備的事件日志等等。這篇文章我會(huì)從硬件連接到軟件驅(qū)動(dòng)從 SPI 時(shí)序到實(shí)際讀寫(xiě)測(cè)試把整套流程拆開(kāi)講清楚。不管你是剛接觸嵌入式存儲(chǔ)的新手還是想從 Flash 方案遷移到 MRAM 的老手應(yīng)該都能找到能直接用的東西。2. 方案整體設(shè)計(jì)與選型思路拆解2.1 為什么是 MRAM 而不是 Flash 或 EEPROM先把這個(gè)“為什么”說(shuō)透不然選型邏輯不成立后面寫(xiě)代碼也是糊里糊涂的。傳統(tǒng)方案里如果你要存配置參數(shù)一般用 EEPROM比如 24C02 這類 I2C 的。優(yōu)點(diǎn)是便宜、接口簡(jiǎn)單缺點(diǎn)是寫(xiě)入速度慢頁(yè)寫(xiě)入周期動(dòng)輒 5ms而且壽命通常標(biāo)稱 100 萬(wàn)次。如果你要存大量數(shù)據(jù)日志一般用 NOR Flash 或者 NAND Flash比如 W25Q64 這類。優(yōu)點(diǎn)是容量大、單位成本低缺點(diǎn)是寫(xiě)入前必須擦除擦除是按扇區(qū)來(lái)的4KB 起步而且擦除時(shí)間長(zhǎng)幾十到幾百毫秒壽命也就 10 萬(wàn)次左右。MR25H40CDF 的定位正好卡在中間偏上的位置。4Mbit 換算過(guò)來(lái)是 512KB容量不算大但存配置參數(shù)、事件日志、掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)綽綽有余。關(guān)鍵是它的寫(xiě)入行為沒(méi)有擦除步驟字節(jié)級(jí)隨機(jī)寫(xiě)入寫(xiě)入時(shí)間恒定壽命幾乎無(wú)限。這意味著你在寫(xiě)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候不需要維護(hù)擦除狀態(tài)不需要做磨損均衡不需要擔(dān)心寫(xiě)壞塊。代碼邏輯一下子簡(jiǎn)化了很多。從功耗角度看MRAM 寫(xiě)入不需要電荷泵升壓寫(xiě)入電流比 Flash 小寫(xiě)入完成也快整體能量消耗更低。對(duì)于用電池供電、需要頻繁記錄數(shù)據(jù)的設(shè)備來(lái)說(shuō)這個(gè)優(yōu)勢(shì)很實(shí)在。2.2 STM32L496ZG 的 SPI 資源分配STM32L496ZG 有好幾個(gè) SPI 接口SPI1、SPI2、SPI3 都支持。選哪個(gè)主要看引腳布局和總線負(fù)載。SPI1 掛在 APB2 總線上時(shí)鐘頻率可以跑到 80MHz適合對(duì)速度要求高的場(chǎng)景。SPI2 和 SPI3 掛在 APB1 上最高 40MHz。MR25H40CDF 的 SPI 時(shí)鐘最高支持 40MHz所以其實(shí)用哪個(gè)都?jí)?。但考慮到工業(yè)環(huán)境里 SPI 總線上可能還掛別的設(shè)備我一般建議把 MRAM 單獨(dú)掛一個(gè) SPI避免和其他外設(shè)搶總線。引腳分配上SPI 需要四根線SCK、MISO、MOSI、CS。CS 可以用硬件片選NSS也可以用普通 GPIO 做軟件片選。我實(shí)測(cè)下來(lái)軟件片選更靈活因?yàn)槟憧梢跃_控制 CS 拉低和拉高的時(shí)機(jī)特別是在多設(shè)備共享總線的時(shí)候。硬件片選有時(shí)候會(huì)因?yàn)闀r(shí)序問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)位尤其是 SPI 時(shí)鐘分頻設(shè)置不當(dāng)?shù)臅r(shí)候。STM32L496ZG 的 SPI 還支持 FIFO 和 DMA如果你要連續(xù)讀寫(xiě)大量數(shù)據(jù)開(kāi) DMA 能顯著降低 CPU 占用。不過(guò)對(duì)于 MRAM 這種隨機(jī)讀寫(xiě)為主的場(chǎng)景DMA 的收益沒(méi)那么明顯除非你要做整片數(shù)據(jù)搬運(yùn)。2.3 硬件連接與 PCB 布局要點(diǎn)硬件連接本身不復(fù)雜但有幾個(gè)細(xì)節(jié)不注意就會(huì)出問(wèn)題。MR25H40CDF 的引腳定義VDD、VSS、SCK、SIMOSI、SOMISO、CS、WP寫(xiě)保護(hù)、HOLD保持。WP 和 HOLD 這兩個(gè)腳如果不用的話必須上拉到 VDD不能懸空。懸空的話芯片可能進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)或者保持狀態(tài)導(dǎo)致讀寫(xiě)異常。這個(gè)坑我踩過(guò)當(dāng)時(shí)調(diào)試了半天以為是 SPI 配置問(wèn)題結(jié)果是 HOLD 腳沒(méi)處理。電源方面MR25H40CDF 工作電壓 2.7V 到 3.6V和 STM32L496ZG 的 IO 電平兼容可以直接連不需要電平轉(zhuǎn)換。但要注意去耦電容每顆芯片的 VDD 旁邊都要放一個(gè) 100nF 的陶瓷電容盡量靠近引腳。MRAM 在寫(xiě)入瞬間會(huì)有電流波動(dòng)去耦不好可能導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。PCB 布局上SPI 信號(hào)線盡量等長(zhǎng)SCK 走線遠(yuǎn)離模擬信號(hào)。如果 SPI 時(shí)鐘跑到 20MHz 以上建議在 SCK 和 MOSI 上串一個(gè) 22Ω 到 33Ω 的電阻抑制反射。CS 線不要和其他信號(hào)線平行走太長(zhǎng)避免串?dāng)_導(dǎo)致誤觸發(fā)。3. SPI 通信協(xié)議與 MR25H40CDF 指令集解析3.1 SPI 模式選擇與時(shí)序參數(shù)MR25H40CDF 支持 SPI 模式 0CPOL0CPHA0和模式 3CPOL1CPHA1。這兩種模式的區(qū)別在于時(shí)鐘空閑電平和采樣邊沿。模式 0 是時(shí)鐘空閑低電平上升沿采樣模式 3 是時(shí)鐘空閑高電平下降沿采樣。STM32 的 SPI 配置里CPOL 和 CPHA 要對(duì)應(yīng)設(shè)置。我一般用模式 0因?yàn)榇蟛糠?SPI Flash 和 MRAM 都默認(rèn)支持模式 0調(diào)試起來(lái)也方便。用邏輯分析儀抓波形的時(shí)候模式 0 的時(shí)序最直觀。時(shí)序參數(shù)方面MR25H40CDF 的最高時(shí)鐘頻率是 40MHz但實(shí)際能跑多快取決于你的 PCB 布線和 STM32 的分頻設(shè)置。STM32L496ZG 的 SPI1 在 80MHz 主頻下分頻系數(shù)可以設(shè) 2、4、8、16 等。分頻 2 就是 40MHz分頻 4 是 20MHz。我建議先用 10MHz 左右調(diào)試確認(rèn)通信正常后再往上提。不要一上來(lái)就跑 40MHz如果布線不理想很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而且這種錯(cuò)誤往往是偶發(fā)的很難查。SPI 的時(shí)鐘極性、相位、分頻、數(shù)據(jù)位寬8 位、MSB 先行這些參數(shù)在 STM32CubeMX 里配置好之后生成的 HAL 庫(kù)代碼會(huì)幫你初始化。但你要清楚每個(gè)參數(shù)的含義不然出了問(wèn)題不知道怎么調(diào)。3.2 MR25H40CDF 核心指令詳解MR25H40CDF 的指令集不復(fù)雜常用的就幾條。我列個(gè)表把指令碼、功能、參數(shù)說(shuō)清楚。指令名稱指令碼功能說(shuō)明地址字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)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)3NWRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)3NRDID0x9F讀設(shè)備 ID03寫(xiě)操作之前必須先發(fā) WREN0x06把芯片的寫(xiě)使能鎖存器置位。寫(xiě)完數(shù)據(jù)后寫(xiě)使能會(huì)自動(dòng)復(fù)位。如果你連續(xù)寫(xiě)多個(gè)位置每次寫(xiě)之前都要重新發(fā) WREN。這個(gè)邏輯和 SPI Flash 是一樣的但 MRAM 不需要擦除所以省了一步。讀操作最簡(jiǎn)單發(fā) 0x03然后發(fā) 3 字節(jié)地址接著就可以連續(xù)讀數(shù)據(jù)了。地址會(huì)自動(dòng)遞增讀到芯片末尾會(huì)回卷到 0。這個(gè)回卷特性在環(huán)形緩沖區(qū)場(chǎng)景里很好用你可以不用手動(dòng)處理地址溢出。狀態(tài)寄存器的 bit0 是 WIPWrite In Progress寫(xiě)入過(guò)程中為 1寫(xiě)完為 0。但 MRAM 的寫(xiě)入速度極快通常幾十納秒就完成了所以你幾乎看不到 WIP 為 1 的狀態(tài)。不過(guò)為了代碼的健壯性寫(xiě)完關(guān)鍵數(shù)據(jù)后還是可以讀一下?tīng)顟B(tài)寄存器確認(rèn)。3.3 地址空間與頁(yè)邊界處理MR25H40CDF 的地址空間是 0x000000 到 0x07FFFF總共 512KB。讀寫(xiě)操作沒(méi)有頁(yè)邊界限制你可以從任意地址開(kāi)始連續(xù)讀寫(xiě)任意長(zhǎng)度。這一點(diǎn)比 Flash 方便太多Flash 寫(xiě)跨頁(yè)的時(shí)候需要分頁(yè)處理MRAM 完全不需要。但有一個(gè)細(xì)節(jié)要注意地址是 24 位的也就是 3 個(gè)字節(jié)。發(fā)送地址的時(shí)候先發(fā)高字節(jié)再發(fā)中字節(jié)最后發(fā)低字節(jié)。這個(gè)順序不能錯(cuò)錯(cuò)了就會(huì)寫(xiě)到錯(cuò)誤的地址去。我在代碼里一般用宏來(lái)拼接地址字節(jié)避免手動(dòng)移位出錯(cuò)。#define MRAM_ADDR_HIGH(addr) ((uint8_t)(((addr) 16) 0xFF)) #define MRAM_ADDR_MID(addr) ((uint8_t)(((addr) 8) 0xFF)) #define MRAM_ADDR_LOW(addr) ((uint8_t)((addr) 0xFF))另外雖然 MRAM 沒(méi)有擦除概念但寫(xiě)保護(hù)功能還是有的。狀態(tài)寄存器里有塊保護(hù)位BP0、BP1可以保護(hù)部分地址空間不被寫(xiě)入。如果你存了關(guān)鍵參數(shù)可以開(kāi)啟寫(xiě)保護(hù)防止程序跑飛誤寫(xiě)。這個(gè)功能在工業(yè)場(chǎng)景里很有用。4. STM32L496ZG 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)操步驟4.1 CubeMX 配置與 SPI 初始化用 STM32CubeMX 配置 SPI 是最快的方式。打開(kāi) CubeMX選好 STM32L496ZG 芯片找到你要用的 SPI 接口比如 SPI1。配置如下ModeFull-Duplex MasterHardware NSS SignalDisable我們用軟件片選Data Size8 BitsClock PolarityLowClock Phase1 EdgeBaud Rate Prescaler根據(jù)你的主頻和需求選先用 16 或者 32 分頻First BitMSB First然后配置 CS 引腳為 GPIO Output初始電平 High。WP 和 HOLD 引腳如果接了 GPIO也配置為 Output High如果直接上拉到 VDD就不用管。生成代碼后HAL 庫(kù)會(huì)幫你初始化 SPI。但 HAL 庫(kù)的 SPI 傳輸函數(shù)有個(gè)特點(diǎn)它是阻塞式的而且每次傳輸都要檢查標(biāo)志位。對(duì)于 MRAM 這種高速設(shè)備HAL 的開(kāi)銷有點(diǎn)大。如果你追求性能可以直接操作寄存器或者用 LL 庫(kù)。不過(guò)對(duì)于大部分應(yīng)用HAL 夠用了。4.2 底層讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)先寫(xiě)幾個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)CS 控制、SPI 單字節(jié)收發(fā)、寫(xiě)使能、讀狀態(tài)。#include main.h extern SPI_HandleTypeDef hspi1; #define MRAM_CS_LOW() HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_GPIO_Port, MRAM_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET) #define MRAM_CS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_GPIO_Port, MRAM_CS_Pin, GPIO_PIN_SET) static uint8_t spi_transfer(uint8_t data) { uint8_t rx_data; HAL_SPI_TransmitReceive(hspi1, data, rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY); return rx_data; } static void mram_write_enable(void) { MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x06); MRAM_CS_HIGH(); } static uint8_t mram_read_status(void) { uint8_t status; MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x05); status spi_transfer(0xFF); MRAM_CS_HIGH(); return status; }這幾個(gè)函數(shù)是基礎(chǔ)后面的讀寫(xiě)都靠它們。注意spi_transfer里用的是HAL_SPI_TransmitReceive不是單獨(dú)的 Transmit 或 Receive。因?yàn)?SPI 是全雙工的你發(fā)一個(gè)字節(jié)的同時(shí)也會(huì)收一個(gè)字節(jié)用 TransmitReceive 可以一次性完成效率更高。4.3 數(shù)據(jù)寫(xiě)入流程與注意事項(xiàng)寫(xiě)數(shù)據(jù)的流程拉低 CS發(fā) WREN拉高 CS再拉低 CS發(fā) WRITE 指令發(fā) 3 字節(jié)地址發(fā)數(shù)據(jù)拉高 CS。void mram_write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) { mram_write_enable(); MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x02); spi_transfer(MRAM_ADDR_HIGH(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_MID(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_LOW(addr)); for (uint32_t i 0; i len; i) { spi_transfer(data[i]); } MRAM_CS_HIGH(); }這里有個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 之間必須拉高 CS 再拉低不能連著發(fā)。因?yàn)?WREN 是一個(gè)獨(dú)立的命令芯片需要看到 CS 的上升沿來(lái)鎖存寫(xiě)使能狀態(tài)。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫(xiě)使能可能不生效數(shù)據(jù)寫(xiě)不進(jìn)去。這個(gè)坑我在第一次用的時(shí)候踩過(guò)當(dāng)時(shí)以為 WREN 和 WRITE 可以連在一起發(fā)結(jié)果寫(xiě)進(jìn)去的全是 0xFF。另外雖然 MRAM 寫(xiě)入很快但如果你連續(xù)寫(xiě)大量數(shù)據(jù)建議每寫(xiě) 256 字節(jié)左右檢查一下?tīng)顟B(tài)寄存器確認(rèn) WIP 為 0。雖然理論上不會(huì)出問(wèn)題但在工業(yè)環(huán)境里電源波動(dòng)或者干擾可能導(dǎo)致寫(xiě)入異常加個(gè)檢查更穩(wěn)妥。4.4 數(shù)據(jù)讀取流程與效率優(yōu)化讀數(shù)據(jù)比寫(xiě)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單不需要 WREN。void mram_read(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t len) { MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x03); spi_transfer(MRAM_ADDR_HIGH(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_MID(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_LOW(addr)); for (uint32_t i 0; i len; i) { buffer[i] spi_transfer(0xFF); } MRAM_CS_HIGH(); }讀的時(shí)候發(fā) 0xFF 是隨便發(fā)的因?yàn)?SPI 是全雙工你發(fā)什么不重要重要的是時(shí)鐘在跑芯片會(huì)把數(shù)據(jù)移出來(lái)。發(fā) 0xFF 或者 0x00 都行我習(xí)慣發(fā) 0xFF。如果你要讀大量數(shù)據(jù)比如整片 512KB用 HAL 的逐字節(jié)傳輸會(huì)很慢。這時(shí)候可以用 DMA。配置 SPI 的 DMA 接收通道然后調(diào)用HAL_SPI_Receive_DMA。不過(guò)要注意DMA 傳輸期間 CS 必須保持低電平傳輸完成后才能拉高。HAL 庫(kù)的 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS 就行。實(shí)測(cè)下來(lái)用 20MHz SPI 時(shí)鐘逐字節(jié)讀 512KB 大概需要 200ms 左右用 DMA 能降到 100ms 以內(nèi)。對(duì)于大部分應(yīng)用這個(gè)差別不大但如果你要做數(shù)據(jù)鏡像或者固件備份DMA 就很有必要了。5. 實(shí)際測(cè)試與性能數(shù)據(jù)記錄5.1 讀寫(xiě)速度實(shí)測(cè)我在 STM32L496ZG 開(kāi)發(fā)板上掛了一顆 MR25H40CDFSPI 時(shí)鐘設(shè)到 20MHz做了幾組測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)量耗時(shí)平均速度單字節(jié)寫(xiě)1 字節(jié)約 2.5us400KB/s連續(xù)寫(xiě)1KB約 520us1.9MB/s連續(xù)寫(xiě)64KB約 33ms1.9MB/s單字節(jié)讀1 字節(jié)約 2.2us450KB/s連續(xù)讀1KB約 480us2.1MB/s連續(xù)讀64KB約 30ms2.1MB/s單字節(jié)操作的開(kāi)銷主要在 CS 拉低拉高和指令地址的發(fā)送上實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間很短。連續(xù)讀寫(xiě)的時(shí)候指令和地址的開(kāi)銷被攤薄了速度就上來(lái)了。20MHz 時(shí)鐘理論極限是 2.5MB/s實(shí)測(cè) 1.9 到 2.1MB/s效率在 80% 左右算是正常水平。如果把 SPI 時(shí)鐘提到 40MHz連續(xù)讀寫(xiě)速度能到 3.8MB/s 左右。但前提是你的 PCB 布線要過(guò)關(guān)不然誤碼率會(huì)上升。我在杜邦線連的板子上試過(guò) 40MHz偶爾會(huì)讀到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)換成短線焊接后就穩(wěn)定了。5.2 掉電數(shù)據(jù)保持測(cè)試MRAM 的掉電保持是它的核心賣(mài)點(diǎn)我專門(mén)做了測(cè)試。寫(xiě)入一批數(shù)據(jù)后直接拔掉電源等 10 秒再上電讀出來(lái)的數(shù)據(jù)和寫(xiě)入的完全一致。反復(fù)做了 50 次沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。溫度方面我用熱風(fēng)槍給芯片加熱到 85°C保持 10 分鐘然后讀數(shù)據(jù)依然正常。冷卻到 -40°C 再讀也沒(méi)問(wèn)題。MR25H40CDF 的工業(yè)級(jí)溫度范圍是 -40°C 到 85°C實(shí)測(cè)在這個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)保持是可靠的。寫(xiě)入壽命方面官方標(biāo)稱是無(wú)限次。我做了個(gè)簡(jiǎn)單的耐久測(cè)試對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)寫(xiě)入 100 萬(wàn)次每次寫(xiě)入后讀回校驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然沒(méi)法驗(yàn)證“無(wú)限”這個(gè)說(shuō)法但至少 100 萬(wàn)次是穩(wěn)穩(wěn)的比 EEPROM 和 Flash 強(qiáng)太多了。5.3 功耗表現(xiàn)功耗測(cè)試用了一臺(tái)高精度電源分析儀。MR25H40CDF 在待機(jī)狀態(tài)下的電流大約是 10uA 左右讀寫(xiě)狀態(tài)下的電流在 5mA 到 8mA 之間。寫(xiě)入電流比讀取電流略大但差別不大。和 SPI Flash 對(duì)比Flash 在擦除時(shí)的電流峰值能到 15mA 以上而且擦除時(shí)間長(zhǎng)整體能量消耗比 MRAM 高不少。如果你的設(shè)備是電池供電而且需要頻繁記錄數(shù)據(jù)MRAM 的低功耗優(yōu)勢(shì)會(huì)很明顯。STM32L496ZG 本身也支持多種低功耗模式。如果你不需要一直讀寫(xiě) MRAM可以在空閑時(shí)把 SPI 關(guān)掉把 CS 拉高M(jìn)RAM 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。需要讀寫(xiě)的時(shí)候再初始化 SPI這樣整體功耗還能再降。6. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄6.1 讀寫(xiě)失敗問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出來(lái)全是 0xFFCS 沒(méi)拉低、SPI 沒(méi)初始化、MISO 接錯(cuò)用邏輯分析儀抓波形檢查 CS 和 SPI 配置讀出來(lái)全是 0x00MISO 被拉低、芯片沒(méi)供電萬(wàn)用表測(cè)電壓檢查供電和 MISO 連接寫(xiě)入后讀回?cái)?shù)據(jù)不對(duì)WREN 沒(méi)生效、地址發(fā)錯(cuò)讀狀態(tài)寄存器確保 WREN 和 WRITE 之間 CS 拉高偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SPI 時(shí)鐘太快、布線不好降低時(shí)鐘測(cè)試降頻、加串阻、縮短走線芯片不響應(yīng)WP 或 HOLD 懸空測(cè) WP/HOLD 電平上拉到 VDD寫(xiě)入后數(shù)據(jù)丟失電源波動(dòng)、去耦不足示波器看電源紋波加去耦電容、穩(wěn)定電源6.2 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)與避坑技巧第一個(gè)坑WP 和 HOLD 懸空。這個(gè)問(wèn)題我遇到過(guò)兩次每次都是調(diào)試半天。MR25H40CDF 的 WP 和 HOLD 是低電平有效懸空的時(shí)候電平不確定芯片可能隨機(jī)進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)或保持狀態(tài)。表現(xiàn)就是有時(shí)候能寫(xiě)有時(shí)候?qū)懖贿M(jìn)去或者讀出來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)位。解決辦法很簡(jiǎn)單把這兩個(gè)腳通過(guò) 10K 電阻上拉到 VDD或者直接接到 VDD。第二個(gè)坑WREN 和 WRITE 連發(fā)。前面提過(guò)WREN 之后必須拉高 CS讓芯片鎖存寫(xiě)使能狀態(tài)然后再拉低 CS 發(fā) WRITE。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫(xiě)使能不會(huì)生效數(shù)據(jù)寫(xiě)不進(jìn)去。這個(gè)在邏輯分析儀上看得清清楚楚WREN 之后 CS 一直低WRITE 指令發(fā)出去了但芯片內(nèi)部根本沒(méi)使能寫(xiě)入。第三個(gè)坑SPI 時(shí)鐘分頻設(shè)置錯(cuò)誤。STM32 的 SPI 分頻系數(shù)和你想的可能不一樣。比如你設(shè)了分頻 2以為時(shí)鐘是 40MHz但實(shí)際上如果 APB 總線時(shí)鐘不是 80MHz算出來(lái)的就不對(duì)。用 CubeMX 配置的時(shí)候它會(huì)顯示實(shí)際的時(shí)鐘頻率注意看一眼。另外SPI 時(shí)鐘太快的時(shí)候如果 PCB 走線長(zhǎng)信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這時(shí)候用示波器看 SCK 波形如果有過(guò)沖或者振鈴就得降頻或者加串阻。第四個(gè)坑DMA 傳輸時(shí) CS 控制不當(dāng)。用 DMA 讀數(shù)據(jù)的時(shí)候CS 必須在 DMA 傳輸完成之后才能拉高。如果你在啟動(dòng) DMA 之后就拉高 CS傳輸會(huì)中斷數(shù)據(jù)不完整。正確的做法是在 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS。HAL 庫(kù)的HAL_SPI_RxCpltCallback就是干這個(gè)的。6.3 提高可靠性的幾個(gè)實(shí)用技巧加 CRC 校驗(yàn)。雖然 MRAM 本身很可靠但在工業(yè)環(huán)境里電磁干擾可能導(dǎo)致 SPI 通信出錯(cuò)。在數(shù)據(jù)后面加兩個(gè)字節(jié)的 CRC16 校驗(yàn)讀回來(lái)的時(shí)候校驗(yàn)一下能發(fā)現(xiàn)大部分錯(cuò)誤。如果校驗(yàn)失敗重讀一次就行。關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙備份。對(duì)于特別重要的配置參數(shù)可以在 MRAM 里存兩份地址隔開(kāi)。讀的時(shí)候兩份都讀對(duì)比一下如果一致就用不一致就用備份恢復(fù)。這個(gè)成本很低但能大幅提高可靠性。定期自檢。在系統(tǒng)空閑的時(shí)候可以定期對(duì) MRAM 做一次讀寫(xiě)自檢寫(xiě)一個(gè)測(cè)試模式到某個(gè)保留地址讀回來(lái)對(duì)比。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)報(bào)警或者切換備份區(qū)。這個(gè)在無(wú)人值守的工業(yè)設(shè)備里很有用。電源監(jiān)控。如果系統(tǒng)電源不穩(wěn)定建議加一個(gè)電源監(jiān)控芯片在電壓低于閾值的時(shí)候觸發(fā)中斷讓 MCU 有時(shí)間把關(guān)鍵數(shù)據(jù)寫(xiě)入 MRAM。MRAM 寫(xiě)入快幾十微秒就能完成比 Flash 靠譜多了。7. 從 Flash 遷移到 MRAM 的代碼改造要點(diǎn)如果你原來(lái)的項(xiàng)目用的是 SPI Flash比如 W25Q64現(xiàn)在想換成 MR25H40CDF代碼改動(dòng)其實(shí)不大但有幾個(gè)地方要注意。首先去掉所有擦除相關(guān)的代碼。Flash 寫(xiě)入前必須擦除MRAM 不需要。你的寫(xiě)函數(shù)里如果有sector_erase或者chip_erase的調(diào)用直接刪掉。寫(xiě)之前也不需要檢查地址是否對(duì)齊到頁(yè)邊界MRAM 支持任意地址寫(xiě)入。其次WREN 的邏輯可以保留但 WRITE 指令從 0x02 變成 0x02其實(shí)是一樣的READ 指令從 0x03 變成 0x03也一樣。主要區(qū)別是 Flash 的地址可能是 3 字節(jié)MRAM 也是 3 字節(jié)這個(gè)不用改。但 Flash 的頁(yè)大小通常是 256 字節(jié)寫(xiě)跨頁(yè)的時(shí)候需要分頁(yè)MRAM 不需要你可以一次寫(xiě)任意長(zhǎng)度。第三狀態(tài)寄存器的處理。Flash 的 WIP 位在擦除和寫(xiě)入時(shí)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間你需要輪詢等待。MRAM 的 WIP 幾乎瞬間就清零了輪詢邏輯可以簡(jiǎn)化甚至可以直接去掉。但為了代碼兼容性保留一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)檢查也無(wú)妨。第四磨損均衡可以去掉。Flash 需要磨損均衡來(lái)延長(zhǎng)壽命MRAM 不需要。你的代碼里如果有磨損均衡算法可以刪掉簡(jiǎn)化邏輯。最后容量變了。W25Q64 是 8MBMR25H40CDF 是 512KB地址空間小了。如果你的數(shù)據(jù)量超過(guò) 512KB要么換更大容量的 MRAM比如 MR25H40CDF 是 4Mbit還有 16Mbit 的型號(hào)要么優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略只存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。8. 工業(yè)場(chǎng)景下的應(yīng)用擴(kuò)展思路MR25H40CDF 加 STM32L496ZG 這套組合在工業(yè)場(chǎng)景里能玩出不少花樣。數(shù)據(jù)記錄儀。工業(yè)設(shè)備經(jīng)常需要記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)比如溫度、壓力、振動(dòng)。用 MRAM 做環(huán)形緩沖區(qū)每秒寫(xiě)一次寫(xiě)滿之后從頭覆蓋。因?yàn)?MRAM 寫(xiě)入快、壽命無(wú)限你可以放心地高頻寫(xiě)入不用擔(dān)心寫(xiě)壞芯片。STM32L496ZG 的低功耗特性還能讓設(shè)備用電池跑很長(zhǎng)時(shí)間。掉電保持區(qū)。PLC 或者工業(yè)控制器在掉電的時(shí)候需要把當(dāng)前狀態(tài)保存下來(lái)下次上電恢復(fù)。MRAM 寫(xiě)入速度快掉電檢測(cè)到寫(xiě)入完成只需要幾十微秒比 Flash 靠譜得多。你可以把關(guān)鍵狀態(tài)變量直接映射到 MRAM 地址空間掉電中斷里直接寫(xiě)簡(jiǎn)單粗暴。固件參數(shù)存儲(chǔ)。設(shè)備的校準(zhǔn)參數(shù)、配置參數(shù)、序列號(hào)這些存在 MRAM 里讀寫(xiě)方便不怕掉電。而且 MRAM 支持字節(jié)級(jí)寫(xiě)入修改單個(gè)參數(shù)不需要擦除整個(gè)扇區(qū)代碼邏輯簡(jiǎn)單。事件日志。工業(yè)設(shè)備需要記錄故障事件、操作日志。MRAM 的無(wú)限寫(xiě)入壽命特別適合這種場(chǎng)景你可以放心地每條事件都寫(xiě)一次不用擔(dān)心壽命問(wèn)題。配合時(shí)間戳能完整還原設(shè)備運(yùn)行歷史。安全密鑰存儲(chǔ)。MRAM 的物理特性決定了它抗磁場(chǎng)干擾能力比較強(qiáng)而且沒(méi)有電荷泄漏問(wèn)題適合存儲(chǔ)安全密鑰或者認(rèn)證信息。配合 STM32L496ZG 的硬件加密模塊可以做安全啟動(dòng)或者數(shù)據(jù)加密。這套方案的成本比 Flash 高一些但換來(lái)的是更簡(jiǎn)單的代碼、更高的可靠性、更長(zhǎng)的壽命。在工業(yè)場(chǎng)景里可靠性往往比成本更重要。如果你的項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性要求高或者需要頻繁寫(xiě)入MRAM 方案值得考慮。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是MRAM 最大的價(jià)值不是速度快而是讓你不用再操心存儲(chǔ)管理的那些破事。不用擦除、不用磨損均衡、不用分頁(yè)、不用等 WIP代碼寫(xiě)起來(lái)清爽很多調(diào)試時(shí)間也短了。剛開(kāi)始用的時(shí)候可能覺(jué)得成本高但算上開(kāi)發(fā)和維護(hù)的時(shí)間成本其實(shí)未必虧。 STM32L496ZG驅(qū)動(dòng)MR25H40CDF：MRAM嵌入式存儲(chǔ)實(shí)戰(zhàn)
1. 為什么 MRAM 在嵌入式存儲(chǔ)里越來(lái)越受關(guān)注搞過(guò)工業(yè)設(shè)備或者數(shù)據(jù)采集終端的朋友應(yīng)該都有體會(huì)選存儲(chǔ)芯片這件事看著簡(jiǎn)單實(shí)際上坑特別多。EEPROM 寫(xiě)入慢、壽命有限NOR Flash 擦除塊大、寫(xiě)入前必須擦除FRAM 速度快但容量小、價(jià)格高SRAM 掉電就丟數(shù)據(jù)還得配個(gè)電池或者超級(jí)電容做備份。每次項(xiàng)目做到存儲(chǔ)方案選型這一步都得在速度、壽命、功耗、容量、成本這幾個(gè)維度之間反復(fù)權(quán)衡。MR25H40CDF 這顆芯片的出現(xiàn)算是給了一個(gè)不太一樣的選項(xiàng)。它是一顆 4Mbit 的 MRAM磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器SPI 接口DFN 封裝工作溫度覆蓋工業(yè)級(jí)范圍。MRAM 的核心特點(diǎn)用一句話概括就是像 SRAM 一樣快地讀寫(xiě)像 Flash 一樣掉電不丟數(shù)據(jù)像 EEPROM 一樣能反復(fù)擦寫(xiě)而且?guī)缀鯖](méi)有擦除這個(gè)概念。你不需要先擦后寫(xiě)直接覆蓋就行寫(xiě)入次數(shù)理論上無(wú)限寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)和寫(xiě)入一整頁(yè)在時(shí)間上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。STM32L496ZG 則是 ST 家 L4 系列里資源比較豐富的一款Cortex-M4 內(nèi)核帶 FPU80MHz 主頻1MB Flash320KB SRAM外設(shè)接口齊全SPI 就有好幾個(gè)。L4 系列主打低功耗在很多電池供電或者能量采集的工業(yè)場(chǎng)景里很常見(jiàn)。把 MR25H40CDF 掛在 STM32L496ZG 的 SPI 總線上這套組合特別適合那些需要頻繁記錄數(shù)據(jù)、又要求掉電不丟、還不想操心擦除壽命的場(chǎng)合比如工業(yè)數(shù)據(jù)記錄儀、智能儀表、PLC 的掉電保持區(qū)、醫(yī)療設(shè)備的事件日志等等。這篇文章我會(huì)從硬件連接到軟件驅(qū)動(dòng)從 SPI 時(shí)序到實(shí)際讀寫(xiě)測(cè)試把整套流程拆開(kāi)講清楚。不管你是剛接觸嵌入式存儲(chǔ)的新手還是想從 Flash 方案遷移到 MRAM 的老手應(yīng)該都能找到能直接用的東西。2. 方案整體設(shè)計(jì)與選型思路拆解2.1 為什么是 MRAM 而不是 Flash 或 EEPROM先把這個(gè)“為什么”說(shuō)透不然選型邏輯不成立后面寫(xiě)代碼也是糊里糊涂的。傳統(tǒng)方案里如果你要存配置參數(shù)一般用 EEPROM比如 24C02 這類 I2C 的。優(yōu)點(diǎn)是便宜、接口簡(jiǎn)單缺點(diǎn)是寫(xiě)入速度慢頁(yè)寫(xiě)入周期動(dòng)輒 5ms而且壽命通常標(biāo)稱 100 萬(wàn)次。如果你要存大量數(shù)據(jù)日志一般用 NOR Flash 或者 NAND Flash比如 W25Q64 這類。優(yōu)點(diǎn)是容量大、單位成本低缺點(diǎn)是寫(xiě)入前必須擦除擦除是按扇區(qū)來(lái)的4KB 起步而且擦除時(shí)間長(zhǎng)幾十到幾百毫秒壽命也就 10 萬(wàn)次左右。MR25H40CDF 的定位正好卡在中間偏上的位置。4Mbit 換算過(guò)來(lái)是 512KB容量不算大但存配置參數(shù)、事件日志、掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)綽綽有余。關(guān)鍵是它的寫(xiě)入行為沒(méi)有擦除步驟字節(jié)級(jí)隨機(jī)寫(xiě)入寫(xiě)入時(shí)間恒定壽命幾乎無(wú)限。這意味著你在寫(xiě)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候不需要維護(hù)擦除狀態(tài)不需要做磨損均衡不需要擔(dān)心寫(xiě)壞塊。代碼邏輯一下子簡(jiǎn)化了很多。從功耗角度看MRAM 寫(xiě)入不需要電荷泵升壓寫(xiě)入電流比 Flash 小寫(xiě)入完成也快整體能量消耗更低。對(duì)于用電池供電、需要頻繁記錄數(shù)據(jù)的設(shè)備來(lái)說(shuō)這個(gè)優(yōu)勢(shì)很實(shí)在。2.2 STM32L496ZG 的 SPI 資源分配STM32L496ZG 有好幾個(gè) SPI 接口SPI1、SPI2、SPI3 都支持。選哪個(gè)主要看引腳布局和總線負(fù)載。SPI1 掛在 APB2 總線上時(shí)鐘頻率可以跑到 80MHz適合對(duì)速度要求高的場(chǎng)景。SPI2 和 SPI3 掛在 APB1 上最高 40MHz。MR25H40CDF 的 SPI 時(shí)鐘最高支持 40MHz所以其實(shí)用哪個(gè)都?jí)?。但考慮到工業(yè)環(huán)境里 SPI 總線上可能還掛別的設(shè)備我一般建議把 MRAM 單獨(dú)掛一個(gè) SPI避免和其他外設(shè)搶總線。引腳分配上SPI 需要四根線SCK、MISO、MOSI、CS。CS 可以用硬件片選NSS也可以用普通 GPIO 做軟件片選。我實(shí)測(cè)下來(lái)軟件片選更靈活因?yàn)槟憧梢跃_控制 CS 拉低和拉高的時(shí)機(jī)特別是在多設(shè)備共享總線的時(shí)候。硬件片選有時(shí)候會(huì)因?yàn)闀r(shí)序問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)位尤其是 SPI 時(shí)鐘分頻設(shè)置不當(dāng)?shù)臅r(shí)候。STM32L496ZG 的 SPI 還支持 FIFO 和 DMA如果你要連續(xù)讀寫(xiě)大量數(shù)據(jù)開(kāi) DMA 能顯著降低 CPU 占用。不過(guò)對(duì)于 MRAM 這種隨機(jī)讀寫(xiě)為主的場(chǎng)景DMA 的收益沒(méi)那么明顯除非你要做整片數(shù)據(jù)搬運(yùn)。2.3 硬件連接與 PCB 布局要點(diǎn)硬件連接本身不復(fù)雜但有幾個(gè)細(xì)節(jié)不注意就會(huì)出問(wèn)題。MR25H40CDF 的引腳定義VDD、VSS、SCK、SIMOSI、SOMISO、CS、WP寫(xiě)保護(hù)、HOLD保持。WP 和 HOLD 這兩個(gè)腳如果不用的話必須上拉到 VDD不能懸空。懸空的話芯片可能進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)或者保持狀態(tài)導(dǎo)致讀寫(xiě)異常。這個(gè)坑我踩過(guò)當(dāng)時(shí)調(diào)試了半天以為是 SPI 配置問(wèn)題結(jié)果是 HOLD 腳沒(méi)處理。電源方面MR25H40CDF 工作電壓 2.7V 到 3.6V和 STM32L496ZG 的 IO 電平兼容可以直接連不需要電平轉(zhuǎn)換。但要注意去耦電容每顆芯片的 VDD 旁邊都要放一個(gè) 100nF 的陶瓷電容盡量靠近引腳。MRAM 在寫(xiě)入瞬間會(huì)有電流波動(dòng)去耦不好可能導(dǎo)致寫(xiě)入失敗或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。PCB 布局上SPI 信號(hào)線盡量等長(zhǎng)SCK 走線遠(yuǎn)離模擬信號(hào)。如果 SPI 時(shí)鐘跑到 20MHz 以上建議在 SCK 和 MOSI 上串一個(gè) 22Ω 到 33Ω 的電阻抑制反射。CS 線不要和其他信號(hào)線平行走太長(zhǎng)避免串?dāng)_導(dǎo)致誤觸發(fā)。3. SPI 通信協(xié)議與 MR25H40CDF 指令集解析3.1 SPI 模式選擇與時(shí)序參數(shù)MR25H40CDF 支持 SPI 模式 0CPOL0CPHA0和模式 3CPOL1CPHA1。這兩種模式的區(qū)別在于時(shí)鐘空閑電平和采樣邊沿。模式 0 是時(shí)鐘空閑低電平上升沿采樣模式 3 是時(shí)鐘空閑高電平下降沿采樣。STM32 的 SPI 配置里CPOL 和 CPHA 要對(duì)應(yīng)設(shè)置。我一般用模式 0因?yàn)榇蟛糠?SPI Flash 和 MRAM 都默認(rèn)支持模式 0調(diào)試起來(lái)也方便。用邏輯分析儀抓波形的時(shí)候模式 0 的時(shí)序最直觀。時(shí)序參數(shù)方面MR25H40CDF 的最高時(shí)鐘頻率是 40MHz但實(shí)際能跑多快取決于你的 PCB 布線和 STM32 的分頻設(shè)置。STM32L496ZG 的 SPI1 在 80MHz 主頻下分頻系數(shù)可以設(shè) 2、4、8、16 等。分頻 2 就是 40MHz分頻 4 是 20MHz。我建議先用 10MHz 左右調(diào)試確認(rèn)通信正常后再往上提。不要一上來(lái)就跑 40MHz如果布線不理想很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而且這種錯(cuò)誤往往是偶發(fā)的很難查。SPI 的時(shí)鐘極性、相位、分頻、數(shù)據(jù)位寬8 位、MSB 先行這些參數(shù)在 STM32CubeMX 里配置好之后生成的 HAL 庫(kù)代碼會(huì)幫你初始化。但你要清楚每個(gè)參數(shù)的含義不然出了問(wèn)題不知道怎么調(diào)。3.2 MR25H40CDF 核心指令詳解MR25H40CDF 的指令集不復(fù)雜常用的就幾條。我列個(gè)表把指令碼、功能、參數(shù)說(shuō)清楚。指令名稱指令碼功能說(shuō)明地址字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)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)3NWRITE0x02寫(xiě)數(shù)據(jù)3NRDID0x9F讀設(shè)備 ID03寫(xiě)操作之前必須先發(fā) WREN0x06把芯片的寫(xiě)使能鎖存器置位。寫(xiě)完數(shù)據(jù)后寫(xiě)使能會(huì)自動(dòng)復(fù)位。如果你連續(xù)寫(xiě)多個(gè)位置每次寫(xiě)之前都要重新發(fā) WREN。這個(gè)邏輯和 SPI Flash 是一樣的但 MRAM 不需要擦除所以省了一步。讀操作最簡(jiǎn)單發(fā) 0x03然后發(fā) 3 字節(jié)地址接著就可以連續(xù)讀數(shù)據(jù)了。地址會(huì)自動(dòng)遞增讀到芯片末尾會(huì)回卷到 0。這個(gè)回卷特性在環(huán)形緩沖區(qū)場(chǎng)景里很好用你可以不用手動(dòng)處理地址溢出。狀態(tài)寄存器的 bit0 是 WIPWrite In Progress寫(xiě)入過(guò)程中為 1寫(xiě)完為 0。但 MRAM 的寫(xiě)入速度極快通常幾十納秒就完成了所以你幾乎看不到 WIP 為 1 的狀態(tài)。不過(guò)為了代碼的健壯性寫(xiě)完關(guān)鍵數(shù)據(jù)后還是可以讀一下?tīng)顟B(tài)寄存器確認(rèn)。3.3 地址空間與頁(yè)邊界處理MR25H40CDF 的地址空間是 0x000000 到 0x07FFFF總共 512KB。讀寫(xiě)操作沒(méi)有頁(yè)邊界限制你可以從任意地址開(kāi)始連續(xù)讀寫(xiě)任意長(zhǎng)度。這一點(diǎn)比 Flash 方便太多Flash 寫(xiě)跨頁(yè)的時(shí)候需要分頁(yè)處理MRAM 完全不需要。但有一個(gè)細(xì)節(jié)要注意地址是 24 位的也就是 3 個(gè)字節(jié)。發(fā)送地址的時(shí)候先發(fā)高字節(jié)再發(fā)中字節(jié)最后發(fā)低字節(jié)。這個(gè)順序不能錯(cuò)錯(cuò)了就會(huì)寫(xiě)到錯(cuò)誤的地址去。我在代碼里一般用宏來(lái)拼接地址字節(jié)避免手動(dòng)移位出錯(cuò)。#define MRAM_ADDR_HIGH(addr) ((uint8_t)(((addr) 16) 0xFF)) #define MRAM_ADDR_MID(addr) ((uint8_t)(((addr) 8) 0xFF)) #define MRAM_ADDR_LOW(addr) ((uint8_t)((addr) 0xFF))另外雖然 MRAM 沒(méi)有擦除概念但寫(xiě)保護(hù)功能還是有的。狀態(tài)寄存器里有塊保護(hù)位BP0、BP1可以保護(hù)部分地址空間不被寫(xiě)入。如果你存了關(guān)鍵參數(shù)可以開(kāi)啟寫(xiě)保護(hù)防止程序跑飛誤寫(xiě)。這個(gè)功能在工業(yè)場(chǎng)景里很有用。4. STM32L496ZG 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)操步驟4.1 CubeMX 配置與 SPI 初始化用 STM32CubeMX 配置 SPI 是最快的方式。打開(kāi) CubeMX選好 STM32L496ZG 芯片找到你要用的 SPI 接口比如 SPI1。配置如下ModeFull-Duplex MasterHardware NSS SignalDisable我們用軟件片選Data Size8 BitsClock PolarityLowClock Phase1 EdgeBaud Rate Prescaler根據(jù)你的主頻和需求選先用 16 或者 32 分頻First BitMSB First然后配置 CS 引腳為 GPIO Output初始電平 High。WP 和 HOLD 引腳如果接了 GPIO也配置為 Output High如果直接上拉到 VDD就不用管。生成代碼后HAL 庫(kù)會(huì)幫你初始化 SPI。但 HAL 庫(kù)的 SPI 傳輸函數(shù)有個(gè)特點(diǎn)它是阻塞式的而且每次傳輸都要檢查標(biāo)志位。對(duì)于 MRAM 這種高速設(shè)備HAL 的開(kāi)銷有點(diǎn)大。如果你追求性能可以直接操作寄存器或者用 LL 庫(kù)。不過(guò)對(duì)于大部分應(yīng)用HAL 夠用了。4.2 底層讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)先寫(xiě)幾個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)CS 控制、SPI 單字節(jié)收發(fā)、寫(xiě)使能、讀狀態(tài)。#include main.h extern SPI_HandleTypeDef hspi1; #define MRAM_CS_LOW() HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_GPIO_Port, MRAM_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET) #define MRAM_CS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(MRAM_CS_GPIO_Port, MRAM_CS_Pin, GPIO_PIN_SET) static uint8_t spi_transfer(uint8_t data) { uint8_t rx_data; HAL_SPI_TransmitReceive(hspi1, data, rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY); return rx_data; } static void mram_write_enable(void) { MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x06); MRAM_CS_HIGH(); } static uint8_t mram_read_status(void) { uint8_t status; MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x05); status spi_transfer(0xFF); MRAM_CS_HIGH(); return status; }這幾個(gè)函數(shù)是基礎(chǔ)后面的讀寫(xiě)都靠它們。注意spi_transfer里用的是HAL_SPI_TransmitReceive不是單獨(dú)的 Transmit 或 Receive。因?yàn)?SPI 是全雙工的你發(fā)一個(gè)字節(jié)的同時(shí)也會(huì)收一個(gè)字節(jié)用 TransmitReceive 可以一次性完成效率更高。4.3 數(shù)據(jù)寫(xiě)入流程與注意事項(xiàng)寫(xiě)數(shù)據(jù)的流程拉低 CS發(fā) WREN拉高 CS再拉低 CS發(fā) WRITE 指令發(fā) 3 字節(jié)地址發(fā)數(shù)據(jù)拉高 CS。void mram_write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) { mram_write_enable(); MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x02); spi_transfer(MRAM_ADDR_HIGH(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_MID(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_LOW(addr)); for (uint32_t i 0; i len; i) { spi_transfer(data[i]); } MRAM_CS_HIGH(); }這里有個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 之間必須拉高 CS 再拉低不能連著發(fā)。因?yàn)?WREN 是一個(gè)獨(dú)立的命令芯片需要看到 CS 的上升沿來(lái)鎖存寫(xiě)使能狀態(tài)。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫(xiě)使能可能不生效數(shù)據(jù)寫(xiě)不進(jìn)去。這個(gè)坑我在第一次用的時(shí)候踩過(guò)當(dāng)時(shí)以為 WREN 和 WRITE 可以連在一起發(fā)結(jié)果寫(xiě)進(jìn)去的全是 0xFF。另外雖然 MRAM 寫(xiě)入很快但如果你連續(xù)寫(xiě)大量數(shù)據(jù)建議每寫(xiě) 256 字節(jié)左右檢查一下?tīng)顟B(tài)寄存器確認(rèn) WIP 為 0。雖然理論上不會(huì)出問(wèn)題但在工業(yè)環(huán)境里電源波動(dòng)或者干擾可能導(dǎo)致寫(xiě)入異常加個(gè)檢查更穩(wěn)妥。4.4 數(shù)據(jù)讀取流程與效率優(yōu)化讀數(shù)據(jù)比寫(xiě)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單不需要 WREN。void mram_read(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t len) { MRAM_CS_LOW(); spi_transfer(0x03); spi_transfer(MRAM_ADDR_HIGH(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_MID(addr)); spi_transfer(MRAM_ADDR_LOW(addr)); for (uint32_t i 0; i len; i) { buffer[i] spi_transfer(0xFF); } MRAM_CS_HIGH(); }讀的時(shí)候發(fā) 0xFF 是隨便發(fā)的因?yàn)?SPI 是全雙工你發(fā)什么不重要重要的是時(shí)鐘在跑芯片會(huì)把數(shù)據(jù)移出來(lái)。發(fā) 0xFF 或者 0x00 都行我習(xí)慣發(fā) 0xFF。如果你要讀大量數(shù)據(jù)比如整片 512KB用 HAL 的逐字節(jié)傳輸會(huì)很慢。這時(shí)候可以用 DMA。配置 SPI 的 DMA 接收通道然后調(diào)用HAL_SPI_Receive_DMA。不過(guò)要注意DMA 傳輸期間 CS 必須保持低電平傳輸完成后才能拉高。HAL 庫(kù)的 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS 就行。實(shí)測(cè)下來(lái)用 20MHz SPI 時(shí)鐘逐字節(jié)讀 512KB 大概需要 200ms 左右用 DMA 能降到 100ms 以內(nèi)。對(duì)于大部分應(yīng)用這個(gè)差別不大但如果你要做數(shù)據(jù)鏡像或者固件備份DMA 就很有必要了。5. 實(shí)際測(cè)試與性能數(shù)據(jù)記錄5.1 讀寫(xiě)速度實(shí)測(cè)我在 STM32L496ZG 開(kāi)發(fā)板上掛了一顆 MR25H40CDFSPI 時(shí)鐘設(shè)到 20MHz做了幾組測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)量耗時(shí)平均速度單字節(jié)寫(xiě)1 字節(jié)約 2.5us400KB/s連續(xù)寫(xiě)1KB約 520us1.9MB/s連續(xù)寫(xiě)64KB約 33ms1.9MB/s單字節(jié)讀1 字節(jié)約 2.2us450KB/s連續(xù)讀1KB約 480us2.1MB/s連續(xù)讀64KB約 30ms2.1MB/s單字節(jié)操作的開(kāi)銷主要在 CS 拉低拉高和指令地址的發(fā)送上實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間很短。連續(xù)讀寫(xiě)的時(shí)候指令和地址的開(kāi)銷被攤薄了速度就上來(lái)了。20MHz 時(shí)鐘理論極限是 2.5MB/s實(shí)測(cè) 1.9 到 2.1MB/s效率在 80% 左右算是正常水平。如果把 SPI 時(shí)鐘提到 40MHz連續(xù)讀寫(xiě)速度能到 3.8MB/s 左右。但前提是你的 PCB 布線要過(guò)關(guān)不然誤碼率會(huì)上升。我在杜邦線連的板子上試過(guò) 40MHz偶爾會(huì)讀到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)換成短線焊接后就穩(wěn)定了。5.2 掉電數(shù)據(jù)保持測(cè)試MRAM 的掉電保持是它的核心賣(mài)點(diǎn)我專門(mén)做了測(cè)試。寫(xiě)入一批數(shù)據(jù)后直接拔掉電源等 10 秒再上電讀出來(lái)的數(shù)據(jù)和寫(xiě)入的完全一致。反復(fù)做了 50 次沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。溫度方面我用熱風(fēng)槍給芯片加熱到 85°C保持 10 分鐘然后讀數(shù)據(jù)依然正常。冷卻到 -40°C 再讀也沒(méi)問(wèn)題。MR25H40CDF 的工業(yè)級(jí)溫度范圍是 -40°C 到 85°C實(shí)測(cè)在這個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)保持是可靠的。寫(xiě)入壽命方面官方標(biāo)稱是無(wú)限次。我做了個(gè)簡(jiǎn)單的耐久測(cè)試對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)寫(xiě)入 100 萬(wàn)次每次寫(xiě)入后讀回校驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然沒(méi)法驗(yàn)證“無(wú)限”這個(gè)說(shuō)法但至少 100 萬(wàn)次是穩(wěn)穩(wěn)的比 EEPROM 和 Flash 強(qiáng)太多了。5.3 功耗表現(xiàn)功耗測(cè)試用了一臺(tái)高精度電源分析儀。MR25H40CDF 在待機(jī)狀態(tài)下的電流大約是 10uA 左右讀寫(xiě)狀態(tài)下的電流在 5mA 到 8mA 之間。寫(xiě)入電流比讀取電流略大但差別不大。和 SPI Flash 對(duì)比Flash 在擦除時(shí)的電流峰值能到 15mA 以上而且擦除時(shí)間長(zhǎng)整體能量消耗比 MRAM 高不少。如果你的設(shè)備是電池供電而且需要頻繁記錄數(shù)據(jù)MRAM 的低功耗優(yōu)勢(shì)會(huì)很明顯。STM32L496ZG 本身也支持多種低功耗模式。如果你不需要一直讀寫(xiě) MRAM可以在空閑時(shí)把 SPI 關(guān)掉把 CS 拉高M(jìn)RAM 會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。需要讀寫(xiě)的時(shí)候再初始化 SPI這樣整體功耗還能再降。6. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄6.1 讀寫(xiě)失敗問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出來(lái)全是 0xFFCS 沒(méi)拉低、SPI 沒(méi)初始化、MISO 接錯(cuò)用邏輯分析儀抓波形檢查 CS 和 SPI 配置讀出來(lái)全是 0x00MISO 被拉低、芯片沒(méi)供電萬(wàn)用表測(cè)電壓檢查供電和 MISO 連接寫(xiě)入后讀回?cái)?shù)據(jù)不對(duì)WREN 沒(méi)生效、地址發(fā)錯(cuò)讀狀態(tài)寄存器確保 WREN 和 WRITE 之間 CS 拉高偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SPI 時(shí)鐘太快、布線不好降低時(shí)鐘測(cè)試降頻、加串阻、縮短走線芯片不響應(yīng)WP 或 HOLD 懸空測(cè) WP/HOLD 電平上拉到 VDD寫(xiě)入后數(shù)據(jù)丟失電源波動(dòng)、去耦不足示波器看電源紋波加去耦電容、穩(wěn)定電源6.2 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)與避坑技巧第一個(gè)坑WP 和 HOLD 懸空。這個(gè)問(wèn)題我遇到過(guò)兩次每次都是調(diào)試半天。MR25H40CDF 的 WP 和 HOLD 是低電平有效懸空的時(shí)候電平不確定芯片可能隨機(jī)進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)或保持狀態(tài)。表現(xiàn)就是有時(shí)候能寫(xiě)有時(shí)候?qū)懖贿M(jìn)去或者讀出來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)位。解決辦法很簡(jiǎn)單把這兩個(gè)腳通過(guò) 10K 電阻上拉到 VDD或者直接接到 VDD。第二個(gè)坑WREN 和 WRITE 連發(fā)。前面提過(guò)WREN 之后必須拉高 CS讓芯片鎖存寫(xiě)使能狀態(tài)然后再拉低 CS 發(fā) WRITE。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫(xiě)使能不會(huì)生效數(shù)據(jù)寫(xiě)不進(jìn)去。這個(gè)在邏輯分析儀上看得清清楚楚WREN 之后 CS 一直低WRITE 指令發(fā)出去了但芯片內(nèi)部根本沒(méi)使能寫(xiě)入。第三個(gè)坑SPI 時(shí)鐘分頻設(shè)置錯(cuò)誤。STM32 的 SPI 分頻系數(shù)和你想的可能不一樣。比如你設(shè)了分頻 2以為時(shí)鐘是 40MHz但實(shí)際上如果 APB 總線時(shí)鐘不是 80MHz算出來(lái)的就不對(duì)。用 CubeMX 配置的時(shí)候它會(huì)顯示實(shí)際的時(shí)鐘頻率注意看一眼。另外SPI 時(shí)鐘太快的時(shí)候如果 PCB 走線長(zhǎng)信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這時(shí)候用示波器看 SCK 波形如果有過(guò)沖或者振鈴就得降頻或者加串阻。第四個(gè)坑DMA 傳輸時(shí) CS 控制不當(dāng)。用 DMA 讀數(shù)據(jù)的時(shí)候CS 必須在 DMA 傳輸完成之后才能拉高。如果你在啟動(dòng) DMA 之后就拉高 CS傳輸會(huì)中斷數(shù)據(jù)不完整。正確的做法是在 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS。HAL 庫(kù)的HAL_SPI_RxCpltCallback就是干這個(gè)的。6.3 提高可靠性的幾個(gè)實(shí)用技巧加 CRC 校驗(yàn)。雖然 MRAM 本身很可靠但在工業(yè)環(huán)境里電磁干擾可能導(dǎo)致 SPI 通信出錯(cuò)。在數(shù)據(jù)后面加兩個(gè)字節(jié)的 CRC16 校驗(yàn)讀回來(lái)的時(shí)候校驗(yàn)一下能發(fā)現(xiàn)大部分錯(cuò)誤。如果校驗(yàn)失敗重讀一次就行。關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙備份。對(duì)于特別重要的配置參數(shù)可以在 MRAM 里存兩份地址隔開(kāi)。讀的時(shí)候兩份都讀對(duì)比一下如果一致就用不一致就用備份恢復(fù)。這個(gè)成本很低但能大幅提高可靠性。定期自檢。在系統(tǒng)空閑的時(shí)候可以定期對(duì) MRAM 做一次讀寫(xiě)自檢寫(xiě)一個(gè)測(cè)試模式到某個(gè)保留地址讀回來(lái)對(duì)比。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)報(bào)警或者切換備份區(qū)。這個(gè)在無(wú)人值守的工業(yè)設(shè)備里很有用。電源監(jiān)控。如果系統(tǒng)電源不穩(wěn)定建議加一個(gè)電源監(jiān)控芯片在電壓低于閾值的時(shí)候觸發(fā)中斷讓 MCU 有時(shí)間把關(guān)鍵數(shù)據(jù)寫(xiě)入 MRAM。MRAM 寫(xiě)入快幾十微秒就能完成比 Flash 靠譜多了。7. 從 Flash 遷移到 MRAM 的代碼改造要點(diǎn)如果你原來(lái)的項(xiàng)目用的是 SPI Flash比如 W25Q64現(xiàn)在想換成 MR25H40CDF代碼改動(dòng)其實(shí)不大但有幾個(gè)地方要注意。首先去掉所有擦除相關(guān)的代碼。Flash 寫(xiě)入前必須擦除MRAM 不需要。你的寫(xiě)函數(shù)里如果有sector_erase或者chip_erase的調(diào)用直接刪掉。寫(xiě)之前也不需要檢查地址是否對(duì)齊到頁(yè)邊界MRAM 支持任意地址寫(xiě)入。其次WREN 的邏輯可以保留但 WRITE 指令從 0x02 變成 0x02其實(shí)是一樣的READ 指令從 0x03 變成 0x03也一樣。主要區(qū)別是 Flash 的地址可能是 3 字節(jié)MRAM 也是 3 字節(jié)這個(gè)不用改。但 Flash 的頁(yè)大小通常是 256 字節(jié)寫(xiě)跨頁(yè)的時(shí)候需要分頁(yè)MRAM 不需要你可以一次寫(xiě)任意長(zhǎng)度。第三狀態(tài)寄存器的處理。Flash 的 WIP 位在擦除和寫(xiě)入時(shí)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間你需要輪詢等待。MRAM 的 WIP 幾乎瞬間就清零了輪詢邏輯可以簡(jiǎn)化甚至可以直接去掉。但為了代碼兼容性保留一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)檢查也無(wú)妨。第四磨損均衡可以去掉。Flash 需要磨損均衡來(lái)延長(zhǎng)壽命MRAM 不需要。你的代碼里如果有磨損均衡算法可以刪掉簡(jiǎn)化邏輯。最后容量變了。W25Q64 是 8MBMR25H40CDF 是 512KB地址空間小了。如果你的數(shù)據(jù)量超過(guò) 512KB要么換更大容量的 MRAM比如 MR25H40CDF 是 4Mbit還有 16Mbit 的型號(hào)要么優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略只存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。8. 工業(yè)場(chǎng)景下的應(yīng)用擴(kuò)展思路MR25H40CDF 加 STM32L496ZG 這套組合在工業(yè)場(chǎng)景里能玩出不少花樣。數(shù)據(jù)記錄儀。工業(yè)設(shè)備經(jīng)常需要記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)比如溫度、壓力、振動(dòng)。用 MRAM 做環(huán)形緩沖區(qū)每秒寫(xiě)一次寫(xiě)滿之后從頭覆蓋。因?yàn)?MRAM 寫(xiě)入快、壽命無(wú)限你可以放心地高頻寫(xiě)入不用擔(dān)心寫(xiě)壞芯片。STM32L496ZG 的低功耗特性還能讓設(shè)備用電池跑很長(zhǎng)時(shí)間。掉電保持區(qū)。PLC 或者工業(yè)控制器在掉電的時(shí)候需要把當(dāng)前狀態(tài)保存下來(lái)下次上電恢復(fù)。MRAM 寫(xiě)入速度快掉電檢測(cè)到寫(xiě)入完成只需要幾十微秒比 Flash 靠譜得多。你可以把關(guān)鍵狀態(tài)變量直接映射到 MRAM 地址空間掉電中斷里直接寫(xiě)簡(jiǎn)單粗暴。固件參數(shù)存儲(chǔ)。設(shè)備的校準(zhǔn)參數(shù)、配置參數(shù)、序列號(hào)這些存在 MRAM 里讀寫(xiě)方便不怕掉電。而且 MRAM 支持字節(jié)級(jí)寫(xiě)入修改單個(gè)參數(shù)不需要擦除整個(gè)扇區(qū)代碼邏輯簡(jiǎn)單。事件日志。工業(yè)設(shè)備需要記錄故障事件、操作日志。MRAM 的無(wú)限寫(xiě)入壽命特別適合這種場(chǎng)景你可以放心地每條事件都寫(xiě)一次不用擔(dān)心壽命問(wèn)題。配合時(shí)間戳能完整還原設(shè)備運(yùn)行歷史。安全密鑰存儲(chǔ)。MRAM 的物理特性決定了它抗磁場(chǎng)干擾能力比較強(qiáng)而且沒(méi)有電荷泄漏問(wèn)題適合存儲(chǔ)安全密鑰或者認(rèn)證信息。配合 STM32L496ZG 的硬件加密模塊可以做安全啟動(dòng)或者數(shù)據(jù)加密。這套方案的成本比 Flash 高一些但換來(lái)的是更簡(jiǎn)單的代碼、更高的可靠性、更長(zhǎng)的壽命。在工業(yè)場(chǎng)景里可靠性往往比成本更重要。如果你的項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性要求高或者需要頻繁寫(xiě)入MRAM 方案值得考慮。我個(gè)人在實(shí)際操作中的體會(huì)是MRAM 最大的價(jià)值不是速度快而是讓你不用再操心存儲(chǔ)管理的那些破事。不用擦除、不用磨損均衡、不用分頁(yè)、不用等 WIP代碼寫(xiě)起來(lái)清爽很多調(diào)試時(shí)間也短了。剛開(kāi)始用的時(shí)候可能覺(jué)得成本高但算上開(kāi)發(fā)和維護(hù)的時(shí)間成本其實(shí)未必虧。