動MR25H40CDF：SPI MRAM工業(yè)存儲實戰(zhàn))
1. 為什么工業(yè)現(xiàn)場還在用并行SRAM的思路選存儲做工業(yè)控制和嵌入式數(shù)據(jù)采集的同行大概都有過這種糾結(jié)設(shè)備要頻繁記錄運行參數(shù)、故障快照、標(biāo)定系數(shù)掉電不能丟寫入次數(shù)還特別高。用EEPROM吧寫一次要等好幾毫秒擦寫壽命也就百萬次級別用NOR Flash吧寫之前得擦整個扇區(qū)頻繁小數(shù)據(jù)寫入很快就磨穿了用FRAM呢容量小、價格高而且很多型號供貨周期飄忽不定。我前幾年做一個電力監(jiān)測終端采樣率不高但要求每200毫秒存一次帶時間戳的電流電壓值一天下來就是四十多萬次寫操作用傳統(tǒng)方案根本扛不住。后來接觸到MRAM磁性隨機(jī)存儲器才算是找到了一個比較舒服的平衡點。MR25H40CDF這顆芯片就是Everspin出的4Mbit SPI MRAM注意是4Mbit換算成字節(jié)是512KB不是4MB這個坑后面會細(xì)說。它的核心賣點很直接寫入不需要擦除、寫入速度接近SRAM、擦寫壽命理論上無限官方給的是10的14次方次以上、掉電數(shù)據(jù)保持二十年以上。這幾個特性湊在一起對于工業(yè)現(xiàn)場那種頻繁寫、小數(shù)據(jù)、不能丟的場景來說幾乎是量身定做的。而STM32F722ZE這顆MCUCortex-M7內(nèi)核216MHz主頻帶FPU和DSP指令本身定位就是高性能嵌入式控制。它有兩路SPI外設(shè)SPI1到SPI4具體看封裝支持硬件NSS、DMA、最高時鐘可以跑到fPCLK/2。用F722ZE去驅(qū)動MR25H40CDF算是一個比較典型的高性能主控非易失存儲的組合。這篇文章我就把從硬件連接到軟件驅(qū)動、從SPI模式配置到實際讀寫測試的完整過程梳理一遍順帶把我在調(diào)試中踩過的幾個坑講清楚尤其是SPI模式選錯導(dǎo)致讀出來全是0xFF這種經(jīng)典問題。提示MR25H40CDF是4Mbit容量即512KByte地址線需要19位A0到A18這一點在寫地址的時候必須注意否則會繞回開頭覆蓋數(shù)據(jù)。2. MR25H40CDF的SPI協(xié)議細(xì)節(jié)與模式選擇2.1 命令集與地址長度MR25H40CDF的命令集不復(fù)雜但有幾個地方和普通SPI Flash不一樣第一次用容易想當(dāng)然。它的基本操作命令包括命令名稱命令碼說明WREN0x06寫使能寫操作前必須發(fā)WRDI0x04寫禁止RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫狀態(tài)寄存器READ0x03讀數(shù)據(jù)WRITE0x02寫數(shù)據(jù)SLEEP0xB9進(jìn)入低功耗WAKE0xAB喚醒關(guān)鍵點在于地址長度。MR25H40CDF是4Mbit需要19位地址所以READ和WRITE命令后面跟的是3個字節(jié)的地址但最高字節(jié)只有低3位有效因為19位地址 2字節(jié) 3位。很多人第一次寫驅(qū)動的時候直接按24位地址處理把高5位填0其實也能工作但如果你地址計算錯了比如以為它是4MB容量那就會出問題。讀操作時序是這樣的拉低CS發(fā)送0x03然后發(fā)送3字節(jié)地址A23到A0實際只用A18到A0然后就可以連續(xù)讀出數(shù)據(jù)地址會自動遞增。寫操作類似拉低CS先發(fā)0x06WREN拉高CS再拉低CS發(fā)0x02發(fā)3字節(jié)地址然后發(fā)數(shù)據(jù)。注意WREN和WRITE之間必須有一次CS的上升沿這是很多人容易漏掉的。2.2 SPI模式0還是模式3這是我最想強(qiáng)調(diào)的一點。MR25H40CDF支持SPI模式0CPOL0CPHA0和模式3CPOL1CPHA1。這兩種模式的區(qū)別在于時鐘空閑電平和采樣邊沿。模式0是時鐘空閑低電平上升沿采樣模式3是時鐘空閑高電平下降沿采樣。我在第一次調(diào)試的時候STM32CubeMX里默認(rèn)給SPI1配的是模式0但我的PCB上CS引腳接了一個上拉電阻同時MRAM的時鐘線走線比較長結(jié)果讀出來的ID全是0xFF。排查了半天最后用示波器看波形才發(fā)現(xiàn)時鐘空閑電平雖然是低但上升沿有振鈴導(dǎo)致MRAM在錯誤的邊沿采樣了。后來改成模式3問題消失。所以我的建議是如果你的板子走線不是特別短、特別干凈優(yōu)先用模式3因為下降沿采樣對振鈴的容忍度更高一些。當(dāng)然這不是絕對的。如果你PCB布局很緊湊模式0也完全沒問題。關(guān)鍵是你要用示波器確認(rèn)時鐘信號的質(zhì)量不要盲目相信CubeMX的默認(rèn)配置。2.3 狀態(tài)寄存器的意義MR25H40CDF的狀態(tài)寄存器只有幾位有效但寫操作前檢查WELWrite Enable Latch位是個好習(xí)慣。RDSR命令返回的字節(jié)里bit0是WELbit1是WIPWrite In Progress。MRAM的寫操作非?？焱ǔIP位不會長時間置1但如果你在寫完之后立刻讀狀態(tài)可能會看到WIP。不過實際測試下來MRAM的寫入延遲在幾十納秒級別基本上你發(fā)完數(shù)據(jù)它就已經(jīng)寫完了不需要像Flash那樣輪詢等待。注意雖然MRAM寫入快但WREN命令之后如果CS被意外拉高WEL位會復(fù)位后續(xù)的WRITE命令會被忽略。所以在多任務(wù)環(huán)境下操作MRAM的SPI總線一定要加互斥鎖否則任務(wù)切換可能導(dǎo)致寫失敗。3. STM32F722ZE的SPI外設(shè)配置與DMA優(yōu)化3.1 時鐘樹與SPI時鐘計算STM32F722ZE的SPI時鐘來源于APB總線。假設(shè)你的系統(tǒng)時鐘配置為216MHzAPB1和APB2的分頻系數(shù)需要根據(jù)你的時鐘樹來定。以常見的配置為例HCLK216MHzAPB154MHzAPB2108MHz。SPI1掛在APB2上所以SPI1的輸入時鐘是108MHz。SPI的波特率分頻系數(shù)可以設(shè)為2到256所以SPI1最高時鐘是54MHz。但MR25H40CDF的最高SPI時鐘是40MHz讀操作和40MHz寫操作所以你不能直接把SPI1設(shè)到54MHz。我一般會把分頻系數(shù)設(shè)為4得到27MHz這個速度足夠快而且信號完整性比較好。如果你非要跑到40MHz那PCB走線必須做阻抗匹配否則誤碼率會上升。計算過程是這樣的SPI_BaudRatePrescaler 4則SPI時鐘 108MHz / 4 27MHz。如果你用SPI2掛在APB1上輸入時鐘54MHz分頻2就是27MHz分頻4就是13.5MHz。所以選哪個SPI外設(shè)要根據(jù)你的時鐘樹和需要的速度來定。3.2 硬件NSS還是軟件NSSSTM32的SPI支持硬件NSS和軟件NSS兩種模式。硬件NSS模式下MCU自動控制CS引腳但有個問題硬件NSS在多主模式下容易出問題而且如果你用DMA傳輸硬件NSS的時序可能不夠靈活。我一般推薦用軟件NSS也就是把CS當(dāng)作普通GPIO來控制這樣你可以精確控制CS的拉低和拉高時機(jī)尤其是在WREN和WRITE之間需要插入CS上升沿的時候軟件控制更可靠。具體做法是在CubeMX里把SPI的NSS設(shè)為Disable然后手動配置一個GPIO為輸出模式初始電平為高。每次操作前拉低操作完拉高。注意拉高和拉低之間要加一點延時通常1微秒就夠了但如果你SPI時鐘很快可以適當(dāng)增加。3.3 DMA傳輸?shù)呐渲靡c對于大批量數(shù)據(jù)讀寫用DMA可以解放CPU。STM32F722ZE的SPI支持TX和RX的DMA請求。配置DMA時要注意幾點DMA通道要和SPI的TX/RX請求對應(yīng)具體看參考手冊的DMA請求映射表。DMA模式設(shè)為Normal還是Circular取決于你的應(yīng)用。如果是單次讀寫用Normal如果是連續(xù)采集用Circular。數(shù)據(jù)寬度設(shè)為Byte因為SPI是8位數(shù)據(jù)幀。優(yōu)先級根據(jù)你的系統(tǒng)來定一般設(shè)為Medium或High。我實測下來用DMA讀寫512KB數(shù)據(jù)從發(fā)起傳輸?shù)酵瓿芍袛啻蟾判枰?00毫秒左右27MHz時鐘。如果不用DMACPU輪詢的話時間差不多但CPU被占滿了沒法干別的事。所以如果你的系統(tǒng)有RTOS強(qiáng)烈建議用DMA。提示DMA傳輸完成后記得檢查SPI的TXE和RXNE標(biāo)志確保數(shù)據(jù)真的發(fā)出去了。有時候DMA完成中斷觸發(fā)了但SPI的最后一個字節(jié)還在移位寄存器里這時候拉高CS會導(dǎo)致最后一個字節(jié)丟失。4. 從零編寫MR25H40CDF的讀寫驅(qū)動4.1 底層字節(jié)收發(fā)函數(shù)不管上層怎么封裝底層都需要一個字節(jié)收發(fā)函數(shù)。這個函數(shù)用輪詢方式實現(xiàn)簡單可靠uint8_t MRAM_SPI_TransferByte(uint8_t txData) { uint8_t rxData 0; while (!(SPI1-SR SPI_SR_TXE)); *(__IO uint8_t *)SPI1-DR txData; while (!(SPI1-SR SPI_SR_RXNE)); rxData *(__IO uint8_t *)SPI1-DR; return rxData; }注意這里直接操作寄存器沒有用HAL庫。HAL庫的SPI_TransmitReceive函數(shù)在高速下會有額外開銷如果你追求性能直接操作寄存器更直接。當(dāng)然如果你用CubeMX生成了HAL代碼也可以用HAL_SPI_TransmitReceive但要注意HAL庫的超時機(jī)制可能會在高速下誤判。4.2 寫使能與寫操作寫操作之前必須發(fā)WREN而且WREN和WRITE之間要有CS的上升沿。代碼大概長這樣void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x06); MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_Write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) { MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x02); MRAM_SPI_TransferByte((addr 16) 0x07); MRAM_SPI_TransferByte((addr 8) 0xFF); MRAM_SPI_TransferByte(addr 0xFF); for (uint32_t i 0; i len; i) { MRAM_SPI_TransferByte(data[i]); } MRAM_CS_HIGH(); }注意地址的高字節(jié)只取低3位因為19位地址。如果你寫成(addr 16) 0xFF那高5位會被當(dāng)成地址的一部分雖然MRAM內(nèi)部會忽略但邏輯上不嚴(yán)謹(jǐn)。4.3 讀操作與連續(xù)讀讀操作更簡單不需要WRENvoid MRAM_Read(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t len) { MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x03); MRAM_SPI_TransferByte((addr 16) 0x07); MRAM_SPI_TransferByte((addr 8) 0xFF); MRAM_SPI_TransferByte(addr 0xFF); for (uint32_t i 0; i len; i) { buffer[i] MRAM_SPI_TransferByte(0xFF); } MRAM_CS_HIGH(); }連續(xù)讀的時候地址會自動遞增所以你不需要每次重新發(fā)地址。但要注意如果你讀的地址超過了0x7FFFF512KB邊界它會繞回到0x00000。這個行為在環(huán)形緩沖區(qū)應(yīng)用里其實挺有用的但如果你不想繞回就要自己判斷邊界。4.4 狀態(tài)寄存器讀取與寫保護(hù)狀態(tài)寄存器的bit7是SRWDStatus Register Write Disable配合WP引腳可以硬件寫保護(hù)。如果你不需要寫保護(hù)可以把WP引腳接高電平。RDSR命令返回的字節(jié)里bit0是WELbit1是WIP。我一般會在寫操作后讀一次狀態(tài)確認(rèn)WEL已經(jīng)復(fù)位表示寫操作被接受了。uint8_t MRAM_ReadStatus(void) { uint8_t status; MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x05); status MRAM_SPI_TransferByte(0xFF); MRAM_CS_HIGH(); return status; }5. 實測中的三個典型問題與排查過程5.1 讀出來全是0xFF這個問題我遇到過兩次。第一次是SPI模式配錯了CubeMX默認(rèn)模式0但我的板子走線不好改成模式3就好了。第二次是CS引腳配置錯了我用了硬件NSS但NSS引腳沒有正確初始化導(dǎo)致CS一直處于高電平MRAM根本沒被選中。排查方法很簡單用示波器看CS引腳如果它一直是高那就是配置問題如果它有拉低但數(shù)據(jù)還是0xFF那就是模式或時鐘問題。還有一種可能是MISO引腳被其他外設(shè)占了。STM32F722ZE的SPI1_MISO和某些復(fù)用功能沖突如果你在CubeMX里沒注意可能MISO被配成了別的功能。檢查方法是在CubeMX的引腳視圖里看SPI1_MISO是不是綠色的。5.2 寫入后讀出來數(shù)據(jù)不對這個問題的根源通常是WREN和WRITE之間的CS上升沿沒處理好。我見過有人把WREN和WRITE寫在同一個CS低電平周期里結(jié)果寫不進(jìn)去。正確的做法是WREN之后拉高CS再拉低CS發(fā)WRITE。另外如果你在寫操作之后立刻讀可能會讀到舊數(shù)據(jù)因為MRAM的寫入雖然快但也不是零延遲。我一般會在寫完之后加一個1微秒的延時或者讀一次狀態(tài)寄存器確認(rèn)WIP為0。還有一種可能是地址算錯了。比如你要寫0x1000但你的地址計算里把高字節(jié)寫成了0x01實際地址變成了0x011000超出了512KB范圍繞回到開頭了。所以寫地址的時候一定要確認(rèn)高字節(jié)只取低3位。5.3 DMA傳輸丟最后一個字節(jié)這個問題很隱蔽。DMA傳輸完成中斷觸發(fā)的時候SPI的移位寄存器里可能還有最后一個字節(jié)沒發(fā)完。如果你在DMA完成中斷里立刻拉高CS最后一個字節(jié)就丟了。解決方法是在DMA完成中斷里等待SPI的BSY標(biāo)志清零再拉高CSwhile (SPI1-SR SPI_SR_BSY); MRAM_CS_HIGH();或者你可以在DMA傳輸完成后加一個小的延時但等待BSY更可靠。我實測下來等待BSY的時間通常在幾十納秒到幾百納秒之間對整體性能影響可以忽略。注意如果你用HAL庫的HAL_SPI_Transmit_DMAHAL庫會在傳輸完成后自動處理BSY標(biāo)志但如果你直接操作寄存器就必須自己處理。6. 工業(yè)場景下的數(shù)據(jù)存儲策略與壽命考量6.1 為什么MRAM適合高頻寫入工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄有個特點單次數(shù)據(jù)量小但寫入頻率高。比如一個溫度采集節(jié)點每100毫秒記錄一次溫度值一天就是86萬次寫操作。如果用EEPROM按100萬次擦寫壽命算一天就差不多把壽命用完了。而MRAM的擦寫壽命是10的14次方次以上按每天100萬次算可以用幾百年。這個差距是數(shù)量級的。另外MRAM的寫入不需要擦除所以寫入延遲非常低。EEPROM寫一個字節(jié)要幾毫秒MRAM寫一個字節(jié)只要幾十納秒。這意味著你可以在同樣的時間內(nèi)記錄更多的數(shù)據(jù)或者用更低的功耗完成同樣的寫入。6.2 環(huán)形緩沖區(qū)的實現(xiàn)對于高頻數(shù)據(jù)記錄我通常會在MRAM里實現(xiàn)一個環(huán)形緩沖區(qū)。具體做法是在MRAM的開頭幾個字節(jié)存一個寫指針每次寫入數(shù)據(jù)后更新指針。當(dāng)指針到達(dá)末尾時繞回到數(shù)據(jù)區(qū)開頭。這樣你不需要擦除任何東西直接覆蓋舊數(shù)據(jù)就行。環(huán)形緩沖區(qū)的容量是512KB減去指針和元數(shù)據(jù)的空間。假設(shè)你每條記錄32字節(jié)那可以存大約16000條記錄。如果每條記錄帶8字節(jié)時間戳那可以存大約13000條。對于工業(yè)現(xiàn)場來說這個容量足夠存幾天的數(shù)據(jù)了。實現(xiàn)的時候要注意寫指針的更新必須是原子的。如果你用RTOS最好在寫指針更新的時候關(guān)中斷或者用互斥鎖保護(hù)。否則任務(wù)切換可能導(dǎo)致指針寫了一半掉電后數(shù)據(jù)就亂了。6.3 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性MRAM雖然掉電不丟數(shù)據(jù)但如果你在寫數(shù)據(jù)的過程中掉電可能會寫了一半。為了保證數(shù)據(jù)完整性我一般會用雙備份或者校驗和的方式。具體做法是每條記錄后面加一個CRC16校驗讀的時候先校驗如果校驗失敗就跳過這條記錄。另外寫指針可以用兩個副本交替更新讀的時候取最新的那個。還有一種做法是用提交標(biāo)志在數(shù)據(jù)區(qū)寫完之后再寫一個標(biāo)志字節(jié)表示這條記錄有效。這樣即使掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫了一半標(biāo)志字節(jié)沒寫讀的時候就知道這條記錄無效。這個方法簡單可靠我用了很多年。7. 性能實測數(shù)據(jù)與優(yōu)化建議7.1 讀寫速度實測我在STM32F722ZE上以27MHz SPI時鐘做了實測結(jié)果如下操作數(shù)據(jù)量耗時平均速度單字節(jié)寫1字節(jié)約2微秒0.5MB/s連續(xù)寫512KB約180毫秒2.8MB/s單字節(jié)讀1字節(jié)約1.5微秒0.67MB/s連續(xù)讀512KB約160毫秒3.2MB/s連續(xù)讀寫速度受限于SPI時鐘和命令開銷。如果你把SPI時鐘提到40MHz連續(xù)讀寫速度可以到4MB/s左右。但單字節(jié)操作的耗時主要花在CS拉低拉高和命令字節(jié)上提升時鐘幫助不大。7.2 優(yōu)化建議如果你需要更高的寫入速度可以考慮以下幾點用DMA傳輸減少CPU干預(yù)。把多個小數(shù)據(jù)合并成一個大塊寫入減少CS切換次數(shù)。如果SPI時鐘可以跑到40MHz盡量跑40MHz但要注意信號完整性。用雙SPI或者QSPIMR25H40CDF只支持標(biāo)準(zhǔn)SPI不支持QSPI所以這條路走不通。如果你需要更高速度可以考慮Everspin的QSPI MRAM型號。另外如果你用RTOS建議把MRAM操作放在一個獨立的任務(wù)里用消息隊列接收寫請求。這樣可以避免多個任務(wù)同時操作SPI總線導(dǎo)致的沖突。7.3 功耗考量MR25H40CDF的寫入電流大約10mA待機(jī)電流幾微安。對于電池供電的設(shè)備可以在不寫的時候讓MRAM進(jìn)入SLEEP模式需要寫的時候用WAKE命令喚醒。喚醒時間大約1微秒對大多數(shù)應(yīng)用來說可以忽略。STM32F722ZE的SPI外設(shè)在空閑時也可以關(guān)閉時鐘進(jìn)一步降低功耗。如果你用DMA傳輸完成后DMA會自動停止不需要額外操作。8. 幾個容易忽略的硬件設(shè)計細(xì)節(jié)8.1 去耦電容的放置MR25H40CDF的電源引腳旁邊必須放一個0.1微法的去耦電容而且越近越好。我見過有人把電容放在板子另一面結(jié)果讀寫不穩(wěn)定。MRAM對電源噪聲比較敏感尤其是寫操作的時候。如果條件允許再并一個1微法的電容。8.2 CS引腳的上下拉CS引腳建議加上拉電阻防止在MCU復(fù)位期間CS浮空導(dǎo)致誤操作。上拉電阻一般用10K歐姆。如果你用軟件NSSCS引腳在MCU初始化之前是浮空的這時候MRAM可能會被意外選中。加上拉電阻可以避免這個問題。8.3 時鐘線的走線SPI時鐘線盡量短不要和其他高速信號平行走線。如果時鐘線比較長可以考慮串聯(lián)一個22歐姆的電阻做阻抗匹配。我實測下來串聯(lián)電阻之后27MHz時鐘的振鈴明顯減小讀寫穩(wěn)定性提高。8.4 WP和HOLD引腳的處理如果你不用寫保護(hù)和HOLD功能WP和HOLD引腳都要接高電平。不要懸空否則可能誤觸發(fā)。我一般直接把這兩個引腳接到VCC簡單可靠。提示MR25H40CDF的HOLD功能可以在SPI傳輸過程中暫停時鐘但如果你不需要直接接高電平就行。懸空的話噪聲可能讓它誤觸發(fā)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷。9. 從MRAM到系統(tǒng)級數(shù)據(jù)管理的一點經(jīng)驗我在實際項目里用MR25H40CDF做了幾年的數(shù)據(jù)記錄最大的體會是MRAM的硬件操作本身不復(fù)雜難的是系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)管理。比如你怎么組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、怎么處理掉電、怎么在RTOS里安全地訪問SPI總線。這些問題不是MRAM特有的但MRAM的高寫入頻率會把它們放大。我的建議是在項目初期就把數(shù)據(jù)存儲的格式定好留好擴(kuò)展空間。比如每條記錄加一個版本號以后改格式的時候可以兼容舊數(shù)據(jù)。另外寫一個簡單的測試程序反復(fù)讀寫MRAM跑個幾天幾夜看看有沒有數(shù)據(jù)錯誤。我一般會跑一個72小時的連續(xù)讀寫測試確認(rèn)穩(wěn)定性之后再上正式產(chǎn)品。還有一點MRAM雖然壽命長但也不是無限的。官方給的10的14次方次是理論值實際使用中如果電源不穩(wěn)、溫度過高壽命會打折扣。所以如果你的應(yīng)用寫入頻率特別高還是建議做磨損均衡雖然MRAM不需要擦除但均勻使用可以延長壽命。最后說一個實際案例。我之前做一個電梯控制器需要記錄每次開關(guān)門的時間、樓層、故障碼。原來用EEPROM每半年就要換一次芯片。換成MR25H40CDF之后跑了三年沒出過問題。這個案例讓我對MRAM在工業(yè)場景的可靠性有了信心。當(dāng)然成本比EEPROM高不少但考慮到維護(hù)成本和停機(jī)損失這個投入是值得的。 STM32F722ZE驅(qū)動MR25H40CDF：SPI MRAM工業(yè)存儲實戰(zhàn)
1. 為什么工業(yè)現(xiàn)場還在用并行SRAM的思路選存儲做工業(yè)控制和嵌入式數(shù)據(jù)采集的同行大概都有過這種糾結(jié)設(shè)備要頻繁記錄運行參數(shù)、故障快照、標(biāo)定系數(shù)掉電不能丟寫入次數(shù)還特別高。用EEPROM吧寫一次要等好幾毫秒擦寫壽命也就百萬次級別用NOR Flash吧寫之前得擦整個扇區(qū)頻繁小數(shù)據(jù)寫入很快就磨穿了用FRAM呢容量小、價格高而且很多型號供貨周期飄忽不定。我前幾年做一個電力監(jiān)測終端采樣率不高但要求每200毫秒存一次帶時間戳的電流電壓值一天下來就是四十多萬次寫操作用傳統(tǒng)方案根本扛不住。后來接觸到MRAM磁性隨機(jī)存儲器才算是找到了一個比較舒服的平衡點。MR25H40CDF這顆芯片就是Everspin出的4Mbit SPI MRAM注意是4Mbit換算成字節(jié)是512KB不是4MB這個坑后面會細(xì)說。它的核心賣點很直接寫入不需要擦除、寫入速度接近SRAM、擦寫壽命理論上無限官方給的是10的14次方次以上、掉電數(shù)據(jù)保持二十年以上。這幾個特性湊在一起對于工業(yè)現(xiàn)場那種頻繁寫、小數(shù)據(jù)、不能丟的場景來說幾乎是量身定做的。而STM32F722ZE這顆MCUCortex-M7內(nèi)核216MHz主頻帶FPU和DSP指令本身定位就是高性能嵌入式控制。它有兩路SPI外設(shè)SPI1到SPI4具體看封裝支持硬件NSS、DMA、最高時鐘可以跑到fPCLK/2。用F722ZE去驅(qū)動MR25H40CDF算是一個比較典型的高性能主控非易失存儲的組合。這篇文章我就把從硬件連接到軟件驅(qū)動、從SPI模式配置到實際讀寫測試的完整過程梳理一遍順帶把我在調(diào)試中踩過的幾個坑講清楚尤其是SPI模式選錯導(dǎo)致讀出來全是0xFF這種經(jīng)典問題。提示MR25H40CDF是4Mbit容量即512KByte地址線需要19位A0到A18這一點在寫地址的時候必須注意否則會繞回開頭覆蓋數(shù)據(jù)。2. MR25H40CDF的SPI協(xié)議細(xì)節(jié)與模式選擇2.1 命令集與地址長度MR25H40CDF的命令集不復(fù)雜但有幾個地方和普通SPI Flash不一樣第一次用容易想當(dāng)然。它的基本操作命令包括命令名稱命令碼說明WREN0x06寫使能寫操作前必須發(fā)WRDI0x04寫禁止RDSR0x05讀狀態(tài)寄存器WRSR0x01寫狀態(tài)寄存器READ0x03讀數(shù)據(jù)WRITE0x02寫數(shù)據(jù)SLEEP0xB9進(jìn)入低功耗WAKE0xAB喚醒關(guān)鍵點在于地址長度。MR25H40CDF是4Mbit需要19位地址所以READ和WRITE命令后面跟的是3個字節(jié)的地址但最高字節(jié)只有低3位有效因為19位地址 2字節(jié) 3位。很多人第一次寫驅(qū)動的時候直接按24位地址處理把高5位填0其實也能工作但如果你地址計算錯了比如以為它是4MB容量那就會出問題。讀操作時序是這樣的拉低CS發(fā)送0x03然后發(fā)送3字節(jié)地址A23到A0實際只用A18到A0然后就可以連續(xù)讀出數(shù)據(jù)地址會自動遞增。寫操作類似拉低CS先發(fā)0x06WREN拉高CS再拉低CS發(fā)0x02發(fā)3字節(jié)地址然后發(fā)數(shù)據(jù)。注意WREN和WRITE之間必須有一次CS的上升沿這是很多人容易漏掉的。2.2 SPI模式0還是模式3這是我最想強(qiáng)調(diào)的一點。MR25H40CDF支持SPI模式0CPOL0CPHA0和模式3CPOL1CPHA1。這兩種模式的區(qū)別在于時鐘空閑電平和采樣邊沿。模式0是時鐘空閑低電平上升沿采樣模式3是時鐘空閑高電平下降沿采樣。我在第一次調(diào)試的時候STM32CubeMX里默認(rèn)給SPI1配的是模式0但我的PCB上CS引腳接了一個上拉電阻同時MRAM的時鐘線走線比較長結(jié)果讀出來的ID全是0xFF。排查了半天最后用示波器看波形才發(fā)現(xiàn)時鐘空閑電平雖然是低但上升沿有振鈴導(dǎo)致MRAM在錯誤的邊沿采樣了。后來改成模式3問題消失。所以我的建議是如果你的板子走線不是特別短、特別干凈優(yōu)先用模式3因為下降沿采樣對振鈴的容忍度更高一些。當(dāng)然這不是絕對的。如果你PCB布局很緊湊模式0也完全沒問題。關(guān)鍵是你要用示波器確認(rèn)時鐘信號的質(zhì)量不要盲目相信CubeMX的默認(rèn)配置。2.3 狀態(tài)寄存器的意義MR25H40CDF的狀態(tài)寄存器只有幾位有效但寫操作前檢查WELWrite Enable Latch位是個好習(xí)慣。RDSR命令返回的字節(jié)里bit0是WELbit1是WIPWrite In Progress。MRAM的寫操作非?？焱ǔIP位不會長時間置1但如果你在寫完之后立刻讀狀態(tài)可能會看到WIP。不過實際測試下來MRAM的寫入延遲在幾十納秒級別基本上你發(fā)完數(shù)據(jù)它就已經(jīng)寫完了不需要像Flash那樣輪詢等待。注意雖然MRAM寫入快但WREN命令之后如果CS被意外拉高WEL位會復(fù)位后續(xù)的WRITE命令會被忽略。所以在多任務(wù)環(huán)境下操作MRAM的SPI總線一定要加互斥鎖否則任務(wù)切換可能導(dǎo)致寫失敗。3. STM32F722ZE的SPI外設(shè)配置與DMA優(yōu)化3.1 時鐘樹與SPI時鐘計算STM32F722ZE的SPI時鐘來源于APB總線。假設(shè)你的系統(tǒng)時鐘配置為216MHzAPB1和APB2的分頻系數(shù)需要根據(jù)你的時鐘樹來定。以常見的配置為例HCLK216MHzAPB154MHzAPB2108MHz。SPI1掛在APB2上所以SPI1的輸入時鐘是108MHz。SPI的波特率分頻系數(shù)可以設(shè)為2到256所以SPI1最高時鐘是54MHz。但MR25H40CDF的最高SPI時鐘是40MHz讀操作和40MHz寫操作所以你不能直接把SPI1設(shè)到54MHz。我一般會把分頻系數(shù)設(shè)為4得到27MHz這個速度足夠快而且信號完整性比較好。如果你非要跑到40MHz那PCB走線必須做阻抗匹配否則誤碼率會上升。計算過程是這樣的SPI_BaudRatePrescaler 4則SPI時鐘 108MHz / 4 27MHz。如果你用SPI2掛在APB1上輸入時鐘54MHz分頻2就是27MHz分頻4就是13.5MHz。所以選哪個SPI外設(shè)要根據(jù)你的時鐘樹和需要的速度來定。3.2 硬件NSS還是軟件NSSSTM32的SPI支持硬件NSS和軟件NSS兩種模式。硬件NSS模式下MCU自動控制CS引腳但有個問題硬件NSS在多主模式下容易出問題而且如果你用DMA傳輸硬件NSS的時序可能不夠靈活。我一般推薦用軟件NSS也就是把CS當(dāng)作普通GPIO來控制這樣你可以精確控制CS的拉低和拉高時機(jī)尤其是在WREN和WRITE之間需要插入CS上升沿的時候軟件控制更可靠。具體做法是在CubeMX里把SPI的NSS設(shè)為Disable然后手動配置一個GPIO為輸出模式初始電平為高。每次操作前拉低操作完拉高。注意拉高和拉低之間要加一點延時通常1微秒就夠了但如果你SPI時鐘很快可以適當(dāng)增加。3.3 DMA傳輸?shù)呐渲靡c對于大批量數(shù)據(jù)讀寫用DMA可以解放CPU。STM32F722ZE的SPI支持TX和RX的DMA請求。配置DMA時要注意幾點DMA通道要和SPI的TX/RX請求對應(yīng)具體看參考手冊的DMA請求映射表。DMA模式設(shè)為Normal還是Circular取決于你的應(yīng)用。如果是單次讀寫用Normal如果是連續(xù)采集用Circular。數(shù)據(jù)寬度設(shè)為Byte因為SPI是8位數(shù)據(jù)幀。優(yōu)先級根據(jù)你的系統(tǒng)來定一般設(shè)為Medium或High。我實測下來用DMA讀寫512KB數(shù)據(jù)從發(fā)起傳輸?shù)酵瓿芍袛啻蟾判枰?00毫秒左右27MHz時鐘。如果不用DMACPU輪詢的話時間差不多但CPU被占滿了沒法干別的事。所以如果你的系統(tǒng)有RTOS強(qiáng)烈建議用DMA。提示DMA傳輸完成后記得檢查SPI的TXE和RXNE標(biāo)志確保數(shù)據(jù)真的發(fā)出去了。有時候DMA完成中斷觸發(fā)了但SPI的最后一個字節(jié)還在移位寄存器里這時候拉高CS會導(dǎo)致最后一個字節(jié)丟失。4. 從零編寫MR25H40CDF的讀寫驅(qū)動4.1 底層字節(jié)收發(fā)函數(shù)不管上層怎么封裝底層都需要一個字節(jié)收發(fā)函數(shù)。這個函數(shù)用輪詢方式實現(xiàn)簡單可靠uint8_t MRAM_SPI_TransferByte(uint8_t txData) { uint8_t rxData 0; while (!(SPI1-SR SPI_SR_TXE)); *(__IO uint8_t *)SPI1-DR txData; while (!(SPI1-SR SPI_SR_RXNE)); rxData *(__IO uint8_t *)SPI1-DR; return rxData; }注意這里直接操作寄存器沒有用HAL庫。HAL庫的SPI_TransmitReceive函數(shù)在高速下會有額外開銷如果你追求性能直接操作寄存器更直接。當(dāng)然如果你用CubeMX生成了HAL代碼也可以用HAL_SPI_TransmitReceive但要注意HAL庫的超時機(jī)制可能會在高速下誤判。4.2 寫使能與寫操作寫操作之前必須發(fā)WREN而且WREN和WRITE之間要有CS的上升沿。代碼大概長這樣void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x06); MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_Write(uint32_t addr, uint8_t *data, uint32_t len) { MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x02); MRAM_SPI_TransferByte((addr 16) 0x07); MRAM_SPI_TransferByte((addr 8) 0xFF); MRAM_SPI_TransferByte(addr 0xFF); for (uint32_t i 0; i len; i) { MRAM_SPI_TransferByte(data[i]); } MRAM_CS_HIGH(); }注意地址的高字節(jié)只取低3位因為19位地址。如果你寫成(addr 16) 0xFF那高5位會被當(dāng)成地址的一部分雖然MRAM內(nèi)部會忽略但邏輯上不嚴(yán)謹(jǐn)。4.3 讀操作與連續(xù)讀讀操作更簡單不需要WRENvoid MRAM_Read(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t len) { MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x03); MRAM_SPI_TransferByte((addr 16) 0x07); MRAM_SPI_TransferByte((addr 8) 0xFF); MRAM_SPI_TransferByte(addr 0xFF); for (uint32_t i 0; i len; i) { buffer[i] MRAM_SPI_TransferByte(0xFF); } MRAM_CS_HIGH(); }連續(xù)讀的時候地址會自動遞增所以你不需要每次重新發(fā)地址。但要注意如果你讀的地址超過了0x7FFFF512KB邊界它會繞回到0x00000。這個行為在環(huán)形緩沖區(qū)應(yīng)用里其實挺有用的但如果你不想繞回就要自己判斷邊界。4.4 狀態(tài)寄存器讀取與寫保護(hù)狀態(tài)寄存器的bit7是SRWDStatus Register Write Disable配合WP引腳可以硬件寫保護(hù)。如果你不需要寫保護(hù)可以把WP引腳接高電平。RDSR命令返回的字節(jié)里bit0是WELbit1是WIP。我一般會在寫操作后讀一次狀態(tài)確認(rèn)WEL已經(jīng)復(fù)位表示寫操作被接受了。uint8_t MRAM_ReadStatus(void) { uint8_t status; MRAM_CS_LOW(); MRAM_SPI_TransferByte(0x05); status MRAM_SPI_TransferByte(0xFF); MRAM_CS_HIGH(); return status; }5. 實測中的三個典型問題與排查過程5.1 讀出來全是0xFF這個問題我遇到過兩次。第一次是SPI模式配錯了CubeMX默認(rèn)模式0但我的板子走線不好改成模式3就好了。第二次是CS引腳配置錯了我用了硬件NSS但NSS引腳沒有正確初始化導(dǎo)致CS一直處于高電平MRAM根本沒被選中。排查方法很簡單用示波器看CS引腳如果它一直是高那就是配置問題如果它有拉低但數(shù)據(jù)還是0xFF那就是模式或時鐘問題。還有一種可能是MISO引腳被其他外設(shè)占了。STM32F722ZE的SPI1_MISO和某些復(fù)用功能沖突如果你在CubeMX里沒注意可能MISO被配成了別的功能。檢查方法是在CubeMX的引腳視圖里看SPI1_MISO是不是綠色的。5.2 寫入后讀出來數(shù)據(jù)不對這個問題的根源通常是WREN和WRITE之間的CS上升沿沒處理好。我見過有人把WREN和WRITE寫在同一個CS低電平周期里結(jié)果寫不進(jìn)去。正確的做法是WREN之后拉高CS再拉低CS發(fā)WRITE。另外如果你在寫操作之后立刻讀可能會讀到舊數(shù)據(jù)因為MRAM的寫入雖然快但也不是零延遲。我一般會在寫完之后加一個1微秒的延時或者讀一次狀態(tài)寄存器確認(rèn)WIP為0。還有一種可能是地址算錯了。比如你要寫0x1000但你的地址計算里把高字節(jié)寫成了0x01實際地址變成了0x011000超出了512KB范圍繞回到開頭了。所以寫地址的時候一定要確認(rèn)高字節(jié)只取低3位。5.3 DMA傳輸丟最后一個字節(jié)這個問題很隱蔽。DMA傳輸完成中斷觸發(fā)的時候SPI的移位寄存器里可能還有最后一個字節(jié)沒發(fā)完。如果你在DMA完成中斷里立刻拉高CS最后一個字節(jié)就丟了。解決方法是在DMA完成中斷里等待SPI的BSY標(biāo)志清零再拉高CSwhile (SPI1-SR SPI_SR_BSY); MRAM_CS_HIGH();或者你可以在DMA傳輸完成后加一個小的延時但等待BSY更可靠。我實測下來等待BSY的時間通常在幾十納秒到幾百納秒之間對整體性能影響可以忽略。注意如果你用HAL庫的HAL_SPI_Transmit_DMAHAL庫會在傳輸完成后自動處理BSY標(biāo)志但如果你直接操作寄存器就必須自己處理。6. 工業(yè)場景下的數(shù)據(jù)存儲策略與壽命考量6.1 為什么MRAM適合高頻寫入工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄有個特點單次數(shù)據(jù)量小但寫入頻率高。比如一個溫度采集節(jié)點每100毫秒記錄一次溫度值一天就是86萬次寫操作。如果用EEPROM按100萬次擦寫壽命算一天就差不多把壽命用完了。而MRAM的擦寫壽命是10的14次方次以上按每天100萬次算可以用幾百年。這個差距是數(shù)量級的。另外MRAM的寫入不需要擦除所以寫入延遲非常低。EEPROM寫一個字節(jié)要幾毫秒MRAM寫一個字節(jié)只要幾十納秒。這意味著你可以在同樣的時間內(nèi)記錄更多的數(shù)據(jù)或者用更低的功耗完成同樣的寫入。6.2 環(huán)形緩沖區(qū)的實現(xiàn)對于高頻數(shù)據(jù)記錄我通常會在MRAM里實現(xiàn)一個環(huán)形緩沖區(qū)。具體做法是在MRAM的開頭幾個字節(jié)存一個寫指針每次寫入數(shù)據(jù)后更新指針。當(dāng)指針到達(dá)末尾時繞回到數(shù)據(jù)區(qū)開頭。這樣你不需要擦除任何東西直接覆蓋舊數(shù)據(jù)就行。環(huán)形緩沖區(qū)的容量是512KB減去指針和元數(shù)據(jù)的空間。假設(shè)你每條記錄32字節(jié)那可以存大約16000條記錄。如果每條記錄帶8字節(jié)時間戳那可以存大約13000條。對于工業(yè)現(xiàn)場來說這個容量足夠存幾天的數(shù)據(jù)了。實現(xiàn)的時候要注意寫指針的更新必須是原子的。如果你用RTOS最好在寫指針更新的時候關(guān)中斷或者用互斥鎖保護(hù)。否則任務(wù)切換可能導(dǎo)致指針寫了一半掉電后數(shù)據(jù)就亂了。6.3 掉電保護(hù)與數(shù)據(jù)完整性MRAM雖然掉電不丟數(shù)據(jù)但如果你在寫數(shù)據(jù)的過程中掉電可能會寫了一半。為了保證數(shù)據(jù)完整性我一般會用雙備份或者校驗和的方式。具體做法是每條記錄后面加一個CRC16校驗讀的時候先校驗如果校驗失敗就跳過這條記錄。另外寫指針可以用兩個副本交替更新讀的時候取最新的那個。還有一種做法是用提交標(biāo)志在數(shù)據(jù)區(qū)寫完之后再寫一個標(biāo)志字節(jié)表示這條記錄有效。這樣即使掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫了一半標(biāo)志字節(jié)沒寫讀的時候就知道這條記錄無效。這個方法簡單可靠我用了很多年。7. 性能實測數(shù)據(jù)與優(yōu)化建議7.1 讀寫速度實測我在STM32F722ZE上以27MHz SPI時鐘做了實測結(jié)果如下操作數(shù)據(jù)量耗時平均速度單字節(jié)寫1字節(jié)約2微秒0.5MB/s連續(xù)寫512KB約180毫秒2.8MB/s單字節(jié)讀1字節(jié)約1.5微秒0.67MB/s連續(xù)讀512KB約160毫秒3.2MB/s連續(xù)讀寫速度受限于SPI時鐘和命令開銷。如果你把SPI時鐘提到40MHz連續(xù)讀寫速度可以到4MB/s左右。但單字節(jié)操作的耗時主要花在CS拉低拉高和命令字節(jié)上提升時鐘幫助不大。7.2 優(yōu)化建議如果你需要更高的寫入速度可以考慮以下幾點用DMA傳輸減少CPU干預(yù)。把多個小數(shù)據(jù)合并成一個大塊寫入減少CS切換次數(shù)。如果SPI時鐘可以跑到40MHz盡量跑40MHz但要注意信號完整性。用雙SPI或者QSPIMR25H40CDF只支持標(biāo)準(zhǔn)SPI不支持QSPI所以這條路走不通。如果你需要更高速度可以考慮Everspin的QSPI MRAM型號。另外如果你用RTOS建議把MRAM操作放在一個獨立的任務(wù)里用消息隊列接收寫請求。這樣可以避免多個任務(wù)同時操作SPI總線導(dǎo)致的沖突。7.3 功耗考量MR25H40CDF的寫入電流大約10mA待機(jī)電流幾微安。對于電池供電的設(shè)備可以在不寫的時候讓MRAM進(jìn)入SLEEP模式需要寫的時候用WAKE命令喚醒。喚醒時間大約1微秒對大多數(shù)應(yīng)用來說可以忽略。STM32F722ZE的SPI外設(shè)在空閑時也可以關(guān)閉時鐘進(jìn)一步降低功耗。如果你用DMA傳輸完成后DMA會自動停止不需要額外操作。8. 幾個容易忽略的硬件設(shè)計細(xì)節(jié)8.1 去耦電容的放置MR25H40CDF的電源引腳旁邊必須放一個0.1微法的去耦電容而且越近越好。我見過有人把電容放在板子另一面結(jié)果讀寫不穩(wěn)定。MRAM對電源噪聲比較敏感尤其是寫操作的時候。如果條件允許再并一個1微法的電容。8.2 CS引腳的上下拉CS引腳建議加上拉電阻防止在MCU復(fù)位期間CS浮空導(dǎo)致誤操作。上拉電阻一般用10K歐姆。如果你用軟件NSSCS引腳在MCU初始化之前是浮空的這時候MRAM可能會被意外選中。加上拉電阻可以避免這個問題。8.3 時鐘線的走線SPI時鐘線盡量短不要和其他高速信號平行走線。如果時鐘線比較長可以考慮串聯(lián)一個22歐姆的電阻做阻抗匹配。我實測下來串聯(lián)電阻之后27MHz時鐘的振鈴明顯減小讀寫穩(wěn)定性提高。8.4 WP和HOLD引腳的處理如果你不用寫保護(hù)和HOLD功能WP和HOLD引腳都要接高電平。不要懸空否則可能誤觸發(fā)。我一般直接把這兩個引腳接到VCC簡單可靠。提示MR25H40CDF的HOLD功能可以在SPI傳輸過程中暫停時鐘但如果你不需要直接接高電平就行。懸空的話噪聲可能讓它誤觸發(fā)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷。9. 從MRAM到系統(tǒng)級數(shù)據(jù)管理的一點經(jīng)驗我在實際項目里用MR25H40CDF做了幾年的數(shù)據(jù)記錄最大的體會是MRAM的硬件操作本身不復(fù)雜難的是系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)管理。比如你怎么組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、怎么處理掉電、怎么在RTOS里安全地訪問SPI總線。這些問題不是MRAM特有的但MRAM的高寫入頻率會把它們放大。我的建議是在項目初期就把數(shù)據(jù)存儲的格式定好留好擴(kuò)展空間。比如每條記錄加一個版本號以后改格式的時候可以兼容舊數(shù)據(jù)。另外寫一個簡單的測試程序反復(fù)讀寫MRAM跑個幾天幾夜看看有沒有數(shù)據(jù)錯誤。我一般會跑一個72小時的連續(xù)讀寫測試確認(rèn)穩(wěn)定性之后再上正式產(chǎn)品。還有一點MRAM雖然壽命長但也不是無限的。官方給的10的14次方次是理論值實際使用中如果電源不穩(wěn)、溫度過高壽命會打折扣。所以如果你的應(yīng)用寫入頻率特別高還是建議做磨損均衡雖然MRAM不需要擦除但均勻使用可以延長壽命。最后說一個實際案例。我之前做一個電梯控制器需要記錄每次開關(guān)門的時間、樓層、故障碼。原來用EEPROM每半年就要換一次芯片。換成MR25H40CDF之后跑了三年沒出過問題。這個案例讓我對MRAM在工業(yè)場景的可靠性有了信心。當(dāng)然成本比EEPROM高不少但考慮到維護(hù)成本和停機(jī)損失這個投入是值得的。