存儲(chǔ)方案實(shí)戰(zhàn))
1. 為什么 MRAM 在工業(yè)嵌入式場景里越來越受關(guān)注搞過工業(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 擦寫壽命不夠、FRAM 容量太小、NOR Flash 寫入速度慢還怕掉電、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)稱無限次擦寫、掉電數(shù)據(jù)不丟聽起來像是把上面幾個(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)勢在于寫入不需要擦除、寫入速度接近 SRAM、擦寫次數(shù)理論上無限官方標(biāo)稱 10^14 次以上、數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過 20 年。這些特性放在工業(yè)現(xiàn)場那種高溫、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)對比為什么最終選了 MRAM在確定 MR25H40CDF 之前我對比了幾種常見的非易失存儲(chǔ)方案。這個(gè)對比過程其實(shí)挺關(guān)鍵的因?yàn)椴煌瑘鼍跋伦顑?yōu)解完全不一樣。存儲(chǔ)類型寫入速度擦寫壽命掉電保持容量范圍寫入前是否需擦除典型功耗EEPROM慢ms級(jí)100萬次是KB級(jí)否字節(jié)級(jí)低NOR Flash中等10萬次是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電池最快無限依賴電池MB級(jí)否高含電池維護(hù)從表里能看出來MRAM 在寫入壽命和寫入速度這兩個(gè)維度上優(yōu)勢明顯。工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器需要每秒寫入幾十條記錄每條記錄幾十字節(jié)一天下來寫入次數(shù)輕松上萬。如果用 EEPROM100萬次的壽命大概幾個(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)寫入和無擦除特性讓固件設(shè)計(jì)大大簡化。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 芯片近走線短SPI2 不跟 LTDC 的引腳沖突SPI2 的時(shí)鐘源來自 APB1配置起來跟系統(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)序問題尤其是多從機(jī)場景。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)部沒有上拉懸空會(huì)導(dǎo)致狀態(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 的寫入電流比讀取電流大不少尤其是在高頻寫入的時(shí)候。MR25H40CDF 的數(shù)據(jù)手冊標(biāo)稱寫入電流典型值 25mA峰值可能到 40mA。如果電源去耦沒做好寫入瞬間的電壓跌落可能導(dǎo)致寫入失敗或者數(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)提供寫入瞬間的電荷緩沖。PCB 走線上電源線盡量粗從 LDO 到 MRAM 的路徑上不要有大的電感或者過孔。另外STM32F469II 和 MR25H40CDF 的電源域要一致。如果 STM32 用 3.3VMRAM 也用 3.3VSPI 電平匹配就沒問題。如果 STM32 用 1.8V 核心電壓但 IO 是 3.3V那也沒問題因?yàn)?F469 的 IO 電壓是可配的。但千萬別出現(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 走線長度和信號(hào)完整性限制。我的板子上 SPI 走線大概 3cm沒有做阻抗匹配11.25MHz 下波形還很干凈再高就開始出現(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)沒有過沖和振鈴再提高頻率。3.2 MR25H40CDF 的命令集與讀寫時(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命令碼功能說明地址字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)WREN0x06寫使能00WRDI0x04寫禁止00RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器01WRSR0x01寫狀態(tài)寄存器01READ0x03讀數(shù)據(jù)31~NWRITE0x02寫數(shù)據(jù)31~N跟 NOR Flash 最大的區(qū)別是MRAM 沒有擦除命令。寫入之前不需要發(fā)擦除指令直接 WREN 然后 WRITE 就行。這個(gè)特性讓固件邏輯簡化了很多不用維護(hù)擦除塊管理。寫操作的完整時(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。我一開始沒注意這個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 連在一起發(fā)結(jié)果寫入一直失敗。后來看數(shù)據(jù)手冊才發(fā)現(xiàn)WREN 需要 CS 的上升沿來鎖存。讀操作簡單一些拉低 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)的沒有 NOR Flash 那種等待周期。3.3 HAL 庫驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)基于 STM32 HAL 庫我封裝了幾個(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)跑下來讀寫都正常。但有個(gè)性能問題每次讀寫都要重新拉 CS、發(fā)命令、發(fā)地址開銷不小。如果頻繁讀寫小數(shù)據(jù)效率會(huì)很低。后面我會(huì)講怎么優(yōu)化。3.4 寫入速度實(shí)測與優(yōu)化我用邏輯分析儀抓了寫入 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銷寫 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)開銷總共約 185 微秒。實(shí)測 240 微秒多出來的部分是 CS 拉高拉低的間隔和 HAL 庫的函數(shù)調(diào)用開銷。如果要提高寫入速度有幾個(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)寫入時(shí)保持 CS 低電平我試過用 DMA 傳輸寫入 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。對于數(shù)據(jù)記錄器這種應(yīng)用寫入頻率大概每秒幾十次阻塞式傳輸完全夠用沒必要上 DMA。實(shí)操心得如果你的應(yīng)用需要高頻寫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單可靠出問題也容易排查。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)。對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄這個(gè)容量需要配合環(huán)形緩沖區(qū)來用覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)思路很簡單維護(hù)一個(gè)寫指針每次寫入后指針后移寫到末尾就回到開頭。同時(shí)維護(hù)一個(gè)記錄計(jì)數(shù)器用來判斷緩沖區(qū)是否已滿。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)是寫指針的持久化。如果寫指針只存在 RAM 里掉電后就丟了重啟后不知道從哪里繼續(xù)寫。所以寫指針必須定期存到 MRAM 里。我是在 MRAM 的固定地址比如 0x00000存一個(gè)頭部結(jié)構(gòu)體包含寫指針、記錄總數(shù)、校驗(yàn)和。每次寫入新記錄后更新頭部。但這樣每次寫入都要寫兩次 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 里可以通過掃描恢復(fù)。這個(gè)取舍要看應(yīng)用對數(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)閷懭胧羌磿r(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 位寫入使能后該位為 1寫入完成后自動(dòng)清零。調(diào)試的時(shí)候可以通過讀狀態(tài)寄存器來判斷 WREN 是否生效。如果 WEL 一直是 0說明 WREN 命令沒有正確執(zhí)行檢查 CS 時(shí)序。4.3 數(shù)據(jù)讀取與校驗(yàn)流程讀取流程比寫入簡單但校驗(yàn)不能省。我的讀取函數(shù)會(huì)先讀頭部獲取寫指針和記錄總數(shù)然后從最舊的記錄開始讀逐條校驗(yàn) CRC。如果某條記錄 CRC 失敗就標(biāo)記為無效并跳過。實(shí)際跑下來MRAM 的讀取誤碼率極低三個(gè)月運(yùn)行沒有出現(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)測而且校驗(yàn)開銷很小讀 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. 常見問題與排查技巧實(shí)錄5.1 SPI 通信失敗的排查思路SPI 通信失敗是最常見的問題表現(xiàn)可能是讀出來全是 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。檢查 MISO如果 MISO 一直高阻可能是 MRAM 沒有供電或者 CS 沒有正確拉低。如果 MISO 有信號(hào)但數(shù)據(jù)不對檢查地址和數(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說明 MISO 沒有連通。我遇到過一次詭異的問題讀出來的數(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 走線又沒有做阻抗匹配導(dǎo)致 MISO 上的信號(hào)有反射。把時(shí)鐘從 20MHz 降到 11.25MHz 后問題消失。所以遇到偶發(fā)錯(cuò)誤先降速試試。5.2 寫入不生效的幾種原因?qū)懭氩簧ǔＳ羞@幾個(gè)原因WREN 沒有正確執(zhí)行WREN 命令后必須拉高 CS否則寫使能不生效。這個(gè)前面強(qiáng)調(diào)過了。WP 引腳狀態(tài)不對如果 WP 引腳被拉低狀態(tài)寄存器的 WPEN 位如果使能了寫入會(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。寫入前一定要檢查地址。電源電壓不足MRAM 寫入時(shí)需要的最低電壓是 2.7V如果電源跌落到 2.5V寫入可能失敗。用示波器看寫入瞬間的 VDD 波形。5.3 常見問題速查表現(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 走線修復(fù)走線或換引腳寫入后讀回不變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)鐘過快降低時(shí)鐘測試降速或做阻抗匹配寫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說明 SPI 外設(shè)配置有問題如果返回 HAL_OK 但數(shù)據(jù)不對那就是時(shí)序或者硬件問題。還有一個(gè)技巧在 MRAM 的 CS 引腳上接一個(gè) LED通過三極管驅(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)不過來。6. 性能優(yōu)化與擴(kuò)展思路6.1 批量讀寫與頁模式MR25H40CDF 支持連續(xù)讀寫也就是一次 CS 周期內(nèi)可以讀寫多個(gè)字節(jié)。利用這個(gè)特性可以批量讀寫數(shù)據(jù)減少 CS 切換開銷。我的數(shù)據(jù)記錄器每次寫入 32 字節(jié)如果改成攢夠 256 字節(jié)再寫CS 切換次數(shù)減少到原來的八分之一整體寫入效率提升明顯。但批量寫入有個(gè)風(fēng)險(xiǎn)如果攢數(shù)據(jù)的過程中掉電這部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟了。所以批量寫入適合對數(shù)據(jù)完整性要求不那么苛刻的場景或者配合掉電檢測使用。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 的擦寫壽命無限文件系統(tǒng)的磨損均衡機(jī)制其實(shí)沒必要反而增加了開銷。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)候可以掛多片 MR25H40CDF。SPI 總線可以掛多個(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 位用來選片另一種是分片管理每片存不同類型的數(shù)據(jù)。線性擴(kuò)展對上層軟件透明但需要改讀寫函數(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 走線盡量等長SCK 和 MOSI 走線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)問題有些是流程問題。挑幾個(gè)有代表性的說說。第一個(gè)坑是 PCB 布局。第一版板子把 MRAM 放在了 STM32 的背面SPI 走線穿過板子長度大概 5cm。結(jié)果 SPI 時(shí)鐘跑到 10MHz 以上就開始出錯(cuò)。第二版把 MRAM 挪到 STM32 同一面走線縮短到 2cm問題解決。所以 SPI 設(shè)備的布局能近就近別為了省空間把走線拉長。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 電容寫入的時(shí)候偶爾失敗。后來加了 1uF 電容問題消失。MRAM 的寫入電流是脈沖式的100nF 的電荷量不夠需要更大的電容來緩沖。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)候沒做導(dǎo)致舊數(shù)據(jù)讀出來全是亂碼后來補(bǔ)上了。第四個(gè)坑是測試覆蓋。實(shí)驗(yàn)室測試的時(shí)候MRAM 讀寫都正常。到了現(xiàn)場設(shè)備裝在變頻器旁邊電磁干擾很強(qiáng)偶爾出現(xiàn)寫入失敗。后來在固件里加了寫入后回讀校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就重寫問題才解決。所以工業(yè)產(chǎn)品的測試一定要考慮電磁兼容場景。8. 寫在最后的一些個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 加 STM32F469II 這套組合在工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場景里算是比較省心的方案。MRAM 的無限擦寫和即時(shí)寫入特性讓固件設(shè)計(jì)簡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)說先明確你的數(shù)據(jù)寫入頻率和可靠性要求。如果寫入頻率低、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。但如果你的場景是高頻寫入、頻繁掉電、工業(yè)環(huán)境MRAM 多花的那些錢省下來的調(diào)試時(shí)間和維護(hù)成本絕對值得。最后分享一個(gè)小技巧MRAM 的讀寫函數(shù)封裝好之后可以寫一個(gè)自測試函數(shù)上電時(shí)跑一遍全片讀寫校驗(yàn)。這個(gè)自測試大概花幾百毫秒但能提前發(fā)現(xiàn)硬件問題避免設(shè)備裝到現(xiàn)場才發(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)嵌入式場景里越來越受關(guān)注搞過工業(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 擦寫壽命不夠、FRAM 容量太小、NOR Flash 寫入速度慢還怕掉電、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)稱無限次擦寫、掉電數(shù)據(jù)不丟聽起來像是把上面幾個(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)勢在于寫入不需要擦除、寫入速度接近 SRAM、擦寫次數(shù)理論上無限官方標(biāo)稱 10^14 次以上、數(shù)據(jù)保持時(shí)間超過 20 年。這些特性放在工業(yè)現(xiàn)場那種高溫、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)對比為什么最終選了 MRAM在確定 MR25H40CDF 之前我對比了幾種常見的非易失存儲(chǔ)方案。這個(gè)對比過程其實(shí)挺關(guān)鍵的因?yàn)椴煌瑘鼍跋伦顑?yōu)解完全不一樣。存儲(chǔ)類型寫入速度擦寫壽命掉電保持容量范圍寫入前是否需擦除典型功耗EEPROM慢ms級(jí)100萬次是KB級(jí)否字節(jié)級(jí)低NOR Flash中等10萬次是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電池最快無限依賴電池MB級(jí)否高含電池維護(hù)從表里能看出來MRAM 在寫入壽命和寫入速度這兩個(gè)維度上優(yōu)勢明顯。工業(yè)數(shù)據(jù)記錄器需要每秒寫入幾十條記錄每條記錄幾十字節(jié)一天下來寫入次數(shù)輕松上萬。如果用 EEPROM100萬次的壽命大概幾個(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)寫入和無擦除特性讓固件設(shè)計(jì)大大簡化。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 芯片近走線短SPI2 不跟 LTDC 的引腳沖突SPI2 的時(shí)鐘源來自 APB1配置起來跟系統(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)序問題尤其是多從機(jī)場景。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)部沒有上拉懸空會(huì)導(dǎo)致狀態(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 的寫入電流比讀取電流大不少尤其是在高頻寫入的時(shí)候。MR25H40CDF 的數(shù)據(jù)手冊標(biāo)稱寫入電流典型值 25mA峰值可能到 40mA。如果電源去耦沒做好寫入瞬間的電壓跌落可能導(dǎo)致寫入失敗或者數(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)提供寫入瞬間的電荷緩沖。PCB 走線上電源線盡量粗從 LDO 到 MRAM 的路徑上不要有大的電感或者過孔。另外STM32F469II 和 MR25H40CDF 的電源域要一致。如果 STM32 用 3.3VMRAM 也用 3.3VSPI 電平匹配就沒問題。如果 STM32 用 1.8V 核心電壓但 IO 是 3.3V那也沒問題因?yàn)?F469 的 IO 電壓是可配的。但千萬別出現(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 走線長度和信號(hào)完整性限制。我的板子上 SPI 走線大概 3cm沒有做阻抗匹配11.25MHz 下波形還很干凈再高就開始出現(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)沒有過沖和振鈴再提高頻率。3.2 MR25H40CDF 的命令集與讀寫時(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命令碼功能說明地址字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)WREN0x06寫使能00WRDI0x04寫禁止00RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器01WRSR0x01寫狀態(tài)寄存器01READ0x03讀數(shù)據(jù)31~NWRITE0x02寫數(shù)據(jù)31~N跟 NOR Flash 最大的區(qū)別是MRAM 沒有擦除命令。寫入之前不需要發(fā)擦除指令直接 WREN 然后 WRITE 就行。這個(gè)特性讓固件邏輯簡化了很多不用維護(hù)擦除塊管理。寫操作的完整時(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。我一開始沒注意這個(gè)細(xì)節(jié)WREN 和 WRITE 連在一起發(fā)結(jié)果寫入一直失敗。后來看數(shù)據(jù)手冊才發(fā)現(xiàn)WREN 需要 CS 的上升沿來鎖存。讀操作簡單一些拉低 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)的沒有 NOR Flash 那種等待周期。3.3 HAL 庫驅(qū)動(dòng)代碼實(shí)現(xiàn)基于 STM32 HAL 庫我封裝了幾個(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)跑下來讀寫都正常。但有個(gè)性能問題每次讀寫都要重新拉 CS、發(fā)命令、發(fā)地址開銷不小。如果頻繁讀寫小數(shù)據(jù)效率會(huì)很低。后面我會(huì)講怎么優(yōu)化。3.4 寫入速度實(shí)測與優(yōu)化我用邏輯分析儀抓了寫入 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銷寫 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)開銷總共約 185 微秒。實(shí)測 240 微秒多出來的部分是 CS 拉高拉低的間隔和 HAL 庫的函數(shù)調(diào)用開銷。如果要提高寫入速度有幾個(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)寫入時(shí)保持 CS 低電平我試過用 DMA 傳輸寫入 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。對于數(shù)據(jù)記錄器這種應(yīng)用寫入頻率大概每秒幾十次阻塞式傳輸完全夠用沒必要上 DMA。實(shí)操心得如果你的應(yīng)用需要高頻寫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單可靠出問題也容易排查。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)。對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄這個(gè)容量需要配合環(huán)形緩沖區(qū)來用覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)思路很簡單維護(hù)一個(gè)寫指針每次寫入后指針后移寫到末尾就回到開頭。同時(shí)維護(hù)一個(gè)記錄計(jì)數(shù)器用來判斷緩沖區(qū)是否已滿。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)是寫指針的持久化。如果寫指針只存在 RAM 里掉電后就丟了重啟后不知道從哪里繼續(xù)寫。所以寫指針必須定期存到 MRAM 里。我是在 MRAM 的固定地址比如 0x00000存一個(gè)頭部結(jié)構(gòu)體包含寫指針、記錄總數(shù)、校驗(yàn)和。每次寫入新記錄后更新頭部。但這樣每次寫入都要寫兩次 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 里可以通過掃描恢復(fù)。這個(gè)取舍要看應(yīng)用對數(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)閷懭胧羌磿r(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 位寫入使能后該位為 1寫入完成后自動(dòng)清零。調(diào)試的時(shí)候可以通過讀狀態(tài)寄存器來判斷 WREN 是否生效。如果 WEL 一直是 0說明 WREN 命令沒有正確執(zhí)行檢查 CS 時(shí)序。4.3 數(shù)據(jù)讀取與校驗(yàn)流程讀取流程比寫入簡單但校驗(yàn)不能省。我的讀取函數(shù)會(huì)先讀頭部獲取寫指針和記錄總數(shù)然后從最舊的記錄開始讀逐條校驗(yàn) CRC。如果某條記錄 CRC 失敗就標(biāo)記為無效并跳過。實(shí)際跑下來MRAM 的讀取誤碼率極低三個(gè)月運(yùn)行沒有出現(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)測而且校驗(yàn)開銷很小讀 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. 常見問題與排查技巧實(shí)錄5.1 SPI 通信失敗的排查思路SPI 通信失敗是最常見的問題表現(xiàn)可能是讀出來全是 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。檢查 MISO如果 MISO 一直高阻可能是 MRAM 沒有供電或者 CS 沒有正確拉低。如果 MISO 有信號(hào)但數(shù)據(jù)不對檢查地址和數(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說明 MISO 沒有連通。我遇到過一次詭異的問題讀出來的數(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 走線又沒有做阻抗匹配導(dǎo)致 MISO 上的信號(hào)有反射。把時(shí)鐘從 20MHz 降到 11.25MHz 后問題消失。所以遇到偶發(fā)錯(cuò)誤先降速試試。5.2 寫入不生效的幾種原因?qū)懭氩簧ǔＳ羞@幾個(gè)原因WREN 沒有正確執(zhí)行WREN 命令后必須拉高 CS否則寫使能不生效。這個(gè)前面強(qiáng)調(diào)過了。WP 引腳狀態(tài)不對如果 WP 引腳被拉低狀態(tài)寄存器的 WPEN 位如果使能了寫入會(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。寫入前一定要檢查地址。電源電壓不足MRAM 寫入時(shí)需要的最低電壓是 2.7V如果電源跌落到 2.5V寫入可能失敗。用示波器看寫入瞬間的 VDD 波形。5.3 常見問題速查表現(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 走線修復(fù)走線或換引腳寫入后讀回不變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)鐘過快降低時(shí)鐘測試降速或做阻抗匹配寫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說明 SPI 外設(shè)配置有問題如果返回 HAL_OK 但數(shù)據(jù)不對那就是時(shí)序或者硬件問題。還有一個(gè)技巧在 MRAM 的 CS 引腳上接一個(gè) LED通過三極管驅(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)不過來。6. 性能優(yōu)化與擴(kuò)展思路6.1 批量讀寫與頁模式MR25H40CDF 支持連續(xù)讀寫也就是一次 CS 周期內(nèi)可以讀寫多個(gè)字節(jié)。利用這個(gè)特性可以批量讀寫數(shù)據(jù)減少 CS 切換開銷。我的數(shù)據(jù)記錄器每次寫入 32 字節(jié)如果改成攢夠 256 字節(jié)再寫CS 切換次數(shù)減少到原來的八分之一整體寫入效率提升明顯。但批量寫入有個(gè)風(fēng)險(xiǎn)如果攢數(shù)據(jù)的過程中掉電這部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟了。所以批量寫入適合對數(shù)據(jù)完整性要求不那么苛刻的場景或者配合掉電檢測使用。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 的擦寫壽命無限文件系統(tǒng)的磨損均衡機(jī)制其實(shí)沒必要反而增加了開銷。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)候可以掛多片 MR25H40CDF。SPI 總線可以掛多個(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 位用來選片另一種是分片管理每片存不同類型的數(shù)據(jù)。線性擴(kuò)展對上層軟件透明但需要改讀寫函數(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 走線盡量等長SCK 和 MOSI 走線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)問題有些是流程問題。挑幾個(gè)有代表性的說說。第一個(gè)坑是 PCB 布局。第一版板子把 MRAM 放在了 STM32 的背面SPI 走線穿過板子長度大概 5cm。結(jié)果 SPI 時(shí)鐘跑到 10MHz 以上就開始出錯(cuò)。第二版把 MRAM 挪到 STM32 同一面走線縮短到 2cm問題解決。所以 SPI 設(shè)備的布局能近就近別為了省空間把走線拉長。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 電容寫入的時(shí)候偶爾失敗。后來加了 1uF 電容問題消失。MRAM 的寫入電流是脈沖式的100nF 的電荷量不夠需要更大的電容來緩沖。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)候沒做導(dǎo)致舊數(shù)據(jù)讀出來全是亂碼后來補(bǔ)上了。第四個(gè)坑是測試覆蓋。實(shí)驗(yàn)室測試的時(shí)候MRAM 讀寫都正常。到了現(xiàn)場設(shè)備裝在變頻器旁邊電磁干擾很強(qiáng)偶爾出現(xiàn)寫入失敗。后來在固件里加了寫入后回讀校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就重寫問題才解決。所以工業(yè)產(chǎn)品的測試一定要考慮電磁兼容場景。8. 寫在最后的一些個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 加 STM32F469II 這套組合在工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場景里算是比較省心的方案。MRAM 的無限擦寫和即時(shí)寫入特性讓固件設(shè)計(jì)簡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)說先明確你的數(shù)據(jù)寫入頻率和可靠性要求。如果寫入頻率低、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。但如果你的場景是高頻寫入、頻繁掉電、工業(yè)環(huán)境MRAM 多花的那些錢省下來的調(diào)試時(shí)間和維護(hù)成本絕對值得。最后分享一個(gè)小技巧MRAM 的讀寫函數(shù)封裝好之后可以寫一個(gè)自測試函數(shù)上電時(shí)跑一遍全片讀寫校驗(yàn)。這個(gè)自測試大概花幾百毫秒但能提前發(fā)現(xiàn)硬件問題避免設(shè)備裝到現(xiàn)場才發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)壞了。我在量產(chǎn)固件里加了這個(gè)自測試返修率明顯下降。