存儲(chǔ)選型實(shí)戰(zhàn)：MR25H40CDF MRAM替代Flash與PIC18F85K22驅(qū)動(dòng)詳解)
1. 為什么工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)我選 MRAM 而不是 Flash 或 EEPROM嵌入式項(xiàng)目里但凡涉及“存數(shù)據(jù)”大家第一反應(yīng)基本就是 EEPROM 或者 SPI Flash。這倆確實(shí)便宜、容量大、生態(tài)成熟但我這幾年做工業(yè)控制相關(guān)的板卡只要遇到頻繁寫入、突然斷電、環(huán)境溫度惡劣這些場(chǎng)景用起來(lái)就特別別扭。MR25H40CDF 這類串行 MRAM 是我在幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目里替換掉 Flash 之后覺(jué)得最值得聊一聊的方案。先解釋一下 MRAM 到底特殊在哪。MRAM 的核心存儲(chǔ)單元用的是磁性隧道結(jié)靠磁化方向來(lái)記錄數(shù)據(jù)而不是像 Flash 那樣靠電荷 trapped 在浮置柵極里。這個(gè)物理差異帶來(lái)一個(gè)巨大的好處寫入之前不需要擦除。Flash 寫入前必須先擦除塊整塊清掉再寫一來(lái)速度慢二來(lái)磨損大MRAM 的寫操作本質(zhì)上和讀操作一樣就是直接改狀態(tài)按字節(jié)或者按頁(yè)寫都行不需要等擦除時(shí)間。另一個(gè)關(guān)鍵是壽命Flash 的擦寫壽命通常在 1 萬(wàn)到 10 萬(wàn)次之間真要用在需要頻繁記錄狀態(tài)量、計(jì)數(shù)值、溫度曲線的場(chǎng)景很快就能把塊的壽命磨光。MR25H40CDF 的 endurance 標(biāo)稱是無(wú)限次寫入至少?gòu)墓こ探嵌瓤茨慊静挥迷僭u(píng)估“這個(gè)扇區(qū)還能寫幾次”這種問(wèn)題。MR25H40CDF 是 Everspin 的 4Mbit 串行 SPI MRAM工作在 25MHz 時(shí)鐘下容量 4Mbit 也就是 512KB對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)記錄來(lái)說(shuō)是夠用的檔位。PIC18F85K22 是 Microchip 的 8 位單片機(jī)主頻最高 64MHz帶兩個(gè)獨(dú)立的 SPI 模塊內(nèi)部有足夠多的引腳和存儲(chǔ)映射外設(shè)接這顆 MRAM 屬于標(biāo)準(zhǔn)操作。這兩個(gè)器件搭在一起基本覆蓋了工業(yè)嵌入式里最常見(jiàn)的“控制器 掉電不丟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的需求。更適合誰(shuí)看這篇如果你在選型階段正在比較 MRAM、FRAM、EEPROM、SPI Flash 之間的差異或者你已經(jīng)拿到 MR25H40CDF 的樣片想快速跑通讀寫又或者你的項(xiàng)目正在被 Flash 壽命和寫入速度卡脖子這篇文章能讓你少走彎路。1.1 這組搭配解決的核心痛點(diǎn)工業(yè)設(shè)備的日志記錄、參數(shù)備份、運(yùn)行狀態(tài)保存往往有幾個(gè)共同訴求寫入要快掉電不能丟壽命要夠長(zhǎng)寫入過(guò)程不能干擾主程序太長(zhǎng)時(shí)間。我接過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目設(shè)備每 100ms 要記錄一次傳感器數(shù)據(jù)到 Flash選了常見(jiàn)的 W25Q64結(jié)果幾個(gè)月后設(shè)備頻繁出現(xiàn)寫入失敗。拿邏輯分析儀一抓發(fā)現(xiàn)是某個(gè)扇區(qū)反復(fù)被寫磨損導(dǎo)致寫入超時(shí)。后來(lái)?yè)Q MR25H40CDF同樣的代碼邏輯容量還比之前小但一年多跑下來(lái)沒(méi)有任何一次寫入異常。說(shuō)白了MRAM 解決的不只是“硬件夠不夠好”的問(wèn)題它把“要不要寫磨損均衡算法”這個(gè)復(fù)雜度直接從項(xiàng)目里刪掉了。1.2 MRAM 和 FRAM 的差異也要搞清楚經(jīng)常有人問(wèn)FRAM 也是無(wú)限次寫入為什么不選 FRAM。FRAM 在低功耗、小容量場(chǎng)景確實(shí)不錯(cuò)但 FRAM 的工藝密度比 MRAM 低大容量型號(hào)少價(jià)格也偏高。而且 MRAM 在溫度范圍和數(shù)據(jù)保持能力上更有余量MR25H40CDF 支持 -40 到 105 攝氏度的工作溫度數(shù)據(jù)保持超過(guò) 20 年抗輻射能力也強(qiáng)軍用和航天設(shè)備里 MRAM 是常客。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫升、振動(dòng)、電磁干擾MRAM 的容錯(cuò)空間明顯比 EEPROM 和傳統(tǒng) NOR Flash 更從容。2. 硬件連接的每一個(gè)引腳都要較真這一節(jié)直接落到實(shí)際開(kāi)發(fā)板上。PIC18F85K22 的 SPI 模塊我選了 SPI1使用的是標(biāo)準(zhǔn) 4 線模式SCK、SDO、SDI、CS。MR25H40CDF 的引腳分別是 CS、SCK、SI、SO、WP、HOLD、VCC、GND。接法看起來(lái)很簡(jiǎn)單但細(xì)節(jié)處全是坑。2.1 完整的引腳連接表PIC18F85K22 引腳MR25H40CDF 引腳說(shuō)明RC3/SCK1SCKSPI 時(shí)鐘最高 25MHzRC5/SDO1SI數(shù)據(jù)輸入到 MRAMRC4/SDI1SO數(shù)據(jù)從 MRAM 輸出RC2/CS1CS片選低有效任意 GPIO我用 RD0WP寫保護(hù)低有效直接接 VCCHOLD暫停通信不用就拉高VCC3.3VVCC供電GNDGND地WP 和 HOLD 兩個(gè)引腳是新手最容易出問(wèn)題的地方。HOLD 如果不使用絕對(duì)不能懸空必須直接接到 VCC。懸空的 HOLD 引腳在電氣上是高阻態(tài)一點(diǎn)點(diǎn)耦合噪聲就可能讓 MRAM 進(jìn)入 HOLD 模式表現(xiàn)就是數(shù)據(jù)讀寫偶爾失敗而且只在特定溫度或電磁環(huán)境下復(fù)現(xiàn)排查起來(lái)非常痛苦。我在第一版 PCB 上就把 HOLD 漏接了上拉結(jié)果整機(jī)做 EMC 測(cè)試時(shí)出現(xiàn)偶發(fā)通信異常最后抓波形才發(fā)現(xiàn)是 HOLD 被干擾拉低白白浪費(fèi)了兩周時(shí)間。WP 引腳我單獨(dú)分配了一個(gè) GPIO 控制而不是直接接地或者接 VCC。原因在于MR25H40CDF 的塊保護(hù)寄存器Block Protect BP1/BP0會(huì)把一部分地址空間設(shè)為只讀如果 WP 拉低并且 BP 位非零對(duì)受保護(hù)區(qū)域的寫命令會(huì)被忽略。寫操作前用 GPIO 拉高 WP寫完后可以再拉低作為一道軟件防線防止主程序跑飛時(shí)意外寫入關(guān)鍵參數(shù)區(qū)。這個(gè)習(xí)慣是從用 EEPROM 時(shí)留下來(lái)的但在 MRAM 上同樣適用畢竟硬件看門狗難防程序指針錯(cuò)亂后對(duì)存儲(chǔ)器的隨機(jī)寫。2.2 供電和電平匹配不能想當(dāng)然MR25H40CDF 的工作電壓范圍相當(dāng)寬2.0V 到 3.6V 都能正常工作工業(yè)環(huán)境里我用的是 3.3V 供電和 PIC18F85K22 的 IO 電平一致可以直接連接不需要電平轉(zhuǎn)換。如果你用的是 5V 供電的 MCU就必須加電平轉(zhuǎn)換或者串阻分壓MRAM 的輸入引腳不承受 5V 電平。PIC18F85K22 內(nèi)部有可配置的 SDO 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度SPI 通信頻率高的時(shí)候把 SDO 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)到最大檔位能明顯改善信號(hào)邊沿質(zhì)量。去耦電容我放了兩個(gè)100nF 放在 VCC 和 GND 之間緊貼 MRAM 芯片引腳另外在 PCB 電源入口處加了一個(gè) 10uF 鉭電容做低頻濾波。MRAM 在寫入瞬間會(huì)有毫安級(jí)的電流尖峰如果電源不干凈偶發(fā)的寫失敗就會(huì)跟幽靈一樣時(shí)不時(shí)冒出來(lái)。PCB 布局上CS、SCK、SI、SO 這四根線盡量等長(zhǎng)走線不要穿過(guò)高噪聲區(qū)域比如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電源的反饋采樣走線。SPI 在 25MHz 下信號(hào)沿很快線長(zhǎng)一超過(guò) 5 厘米就得考慮串阻和終端匹配否則反射會(huì)造成數(shù)據(jù)采樣錯(cuò)誤。我在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)25MHz 時(shí)鐘下超過(guò) 8 厘米的杜邦線連接就已經(jīng)不可靠焊接在 PCB 上短走線則完全沒(méi)問(wèn)題。3. PIC18F85K22 的 SPI 驅(qū)動(dòng)代碼每一行都要看懂直接貼完整代碼之前先把 PIC18F85K22 的 SPI 模塊配置說(shuō)清楚。我用的 SPI1主模式時(shí)鐘極性 CPOL0相位 CPHA0也就是 SPI Mode 0。MR25H40CDF 支持 SPI Mode 0 和 Mode 3選哪個(gè)都行但代碼里必須統(tǒng)一混用會(huì)導(dǎo)致第一個(gè)字節(jié)讀出來(lái)全 0現(xiàn)象非常迷惑。MSSP 模塊在 PIC18F85K22 上配置為主模式需要設(shè)置 SSPCON1 寄存器。我把 SCK 頻率設(shè)成 8MHz這是因?yàn)?PIC18F85K22 的系統(tǒng)時(shí)鐘是 32MHz內(nèi)部 PLL 倍頻SPI 預(yù)分頻器選 FOSC/4。8MHz 對(duì) MR25H40CDF 完全夠用MRAM 的最小 SCK 脈沖寬度要求寬裕得多而且 8MHz 下信號(hào)完整性更好排查問(wèn)題也容易。如果你要跑滿 25MHz時(shí)鐘得用外部晶振配合更高的 PLL 倍頻但說(shuō)實(shí)話在工業(yè)控制里沒(méi)必要追求極限。3.1 底層 SPI 字節(jié)收發(fā)函數(shù)// PIC18F85K22 SPI1 底層函數(shù) // 系統(tǒng)時(shí)鐘 32MHzSPI 時(shí)鐘 8MHzMode 0 #define MRAM_CS_LAT() LATCbits.LATC2 0 #define MRAM_CS_HIGH() LATCbits.LATC2 1 #define MRAM_WP_HIGH() LATDbits.LATD0 1 #define MRAM_WP_LOW() LATDbits.LATD0 0 void SPI1_Init(void) { // 配置 RC3/SCK1, RC5/SDO1, RC4/SDI1 為 SPI 功能 TRISCbits.TRISC3 1; TRISCbits.TRISC4 1; TRISCbits.TRISC5 1; ANSELC 0xE7; // 關(guān)閉 RC3-RC5 的模擬輸入功能這一步非常重要 SSP1CON1 0x20; // 0b00100000: 主模式SCK 空閑低電平FOSC/4 // bit5 SSPEN1 使能 SPIbit3 CKP0bit0 SSPM3-00000 表示主模式 FOSC/4 SSP1STAT 0x00; // CKE0SMP0Mode 0采樣在 SCK 中間時(shí)刻 MRAM_CS_HIGH(); MRAM_WP_LOW(); // 默認(rèn)拉低寫保護(hù)防止意外寫入 } uint8_t SPI1_Transfer(uint8_t byte) { SSP1BUF byte; while (!SSP1STATbits.BF); // 等待接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志 return SSP1BUF; }這里有一個(gè)最容易被忽略的初始化細(xì)節(jié)PIC18F85K22 的很多引腳默認(rèn)是模擬輸入RC3、RC4、RC5 在上電后如果沒(méi)有把 ANSELC 對(duì)應(yīng)位清零SPI 引腳的實(shí)際輸入是模擬比較器通路數(shù)字信號(hào)根本進(jìn)不去。這個(gè)坑幾乎每個(gè)用 PIC18F 系列的人都會(huì)踩一次因?yàn)樾酒想娔J(rèn)值就是模擬輸入程序里不主動(dòng)關(guān)閉后面所有 SPI 通信都是無(wú)效的。3.2 發(fā)送命令和讀寫頁(yè)數(shù)據(jù)void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x06); // WREN 命令 MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_ReadStatus(uint8_t *status) { MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x05); // RDSR *status SPI1_Transfer(0x00); MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t data) { MRAM_WP_HIGH(); MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x02); // WRITE 命令 SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); // 23-16 位地址 SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); // 15-8 地址 SPI1_Transfer(addr 0xFF); // 7-0 地址 SPI1_Transfer(data); // 數(shù)據(jù) MRAM_CS_HIGH(); // 輪詢狀態(tài)寄存器等待內(nèi)部寫完成 uint8_t sr 0; do { MRAM_ReadStatus(sr); } while (sr 0x01); // WIP 位為 1 說(shuō)明還在寫 MRAM_WP_LOW(); } uint8_t MRAM_ReadByte(uint32_t addr) { uint8_t data; MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x03); // READ 命令 SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI1_Transfer(addr 0xFF); data SPI1_Transfer(0x00); // 發(fā)送啞字節(jié)讀取數(shù)據(jù) MRAM_CS_HIGH(); return data; }MR25H40CDF 的地址是 24 位4Mbit 容量對(duì)應(yīng)的是 0x000000 到 0x07FFFF所以地址高 8 位在 0x00 到 0x07 之間如果地址超過(guò)這個(gè)范圍命令直接失效。寫使能命令 WREN 必須在每次 WRITE 命令之前發(fā)送芯片上電后默認(rèn)是寫禁止?fàn)顟B(tài)這是標(biāo)準(zhǔn)的 SPI NOR 協(xié)議MRAM 沿用了一套。Status 寄存器的 bit0 是 WIPbit1 是 WEL寫入期間 WIP 為 1主控必須等待它歸零。MRAM 的單字節(jié)寫入時(shí)間大約在 100ns 級(jí)別相比 Flash 的微秒到毫秒級(jí)快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)輪詢循環(huán)基本一跳就過(guò)。3.3 頁(yè)寫入比單字節(jié)寫入更高效MR25H40CDF 支持頁(yè)寫入一頁(yè) 256 字節(jié)。實(shí)際項(xiàng)目中如果參數(shù)表、日志塊是以頁(yè)為單位組織的頁(yè)寫入能把通信開(kāi)銷壓縮到最小。頁(yè)寫入的地址必須對(duì)齊頁(yè)邊界如果跨頁(yè)了命令會(huì)回卷到頁(yè)開(kāi)頭覆蓋前面已寫入的數(shù)據(jù)這是 SPI NOR 類器件的通用行為MRAM 也一樣。我寫項(xiàng)目通常是先攢滿一頁(yè)數(shù)據(jù)放一個(gè) 256 字節(jié)的 RAM 緩沖然后整頁(yè)下刷。void MRAM_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { if (len 256) len 256; // 檢查地址是否跨頁(yè)如果低 8 位加上長(zhǎng)度會(huì)超過(guò) 256截?cái)?if ((addr 0xFF) len 256) { len 256 - (addr 0xFF); } MRAM_WP_HIGH(); MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x02); SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI1_Transfer(addr 0xFF); for (uint16_t i 0; i len; i) { SPI1_Transfer(buf[i]); } MRAM_CS_HIGH(); uint8_t sr 0; do { MRAM_ReadStatus(sr); } while (sr 0x01); // 等待 WIP 清零 MRAM_WP_LOW(); }注意我做的地址跨頁(yè)保護(hù)這是從 Flash 時(shí)代繼承來(lái)的習(xí)慣MRAM 雖然不像 Flash 那樣有“跨頁(yè)回卷”的硬件缺陷但協(xié)議上依然是按頁(yè)來(lái)約束寫操作的。與其依賴協(xié)議細(xì)節(jié)不如在軟件層面直接把邊界算清楚一勞永逸。頁(yè)寫入相比逐字節(jié)寫能省掉大量重復(fù)的命令幀和 CS 拉高拉低操作實(shí)測(cè)在 8MHz SPI 下整頁(yè)寫 256 字節(jié)只需要不到 1ms 的通信時(shí)間而逐字節(jié)寫要 3ms 以上。4. 完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程設(shè)計(jì)從分區(qū)到掉電保護(hù)有了讀寫函數(shù)還不能直接開(kāi)工寫業(yè)務(wù)邏輯。工業(yè)嵌入式里的存儲(chǔ)不是簡(jiǎn)單調(diào)一個(gè) write 函數(shù)就完事的要考慮數(shù)據(jù)怎么組織、怎么防止掉電寫壞、怎么做到版本兼容。這一節(jié)是我認(rèn)為全文最有工程價(jià)值的部分。4.1 把 4Mbit 地址空間規(guī)劃成不同的功能區(qū)我把存儲(chǔ)區(qū)劃分成了三個(gè)區(qū)域參數(shù)區(qū)、運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)、日志區(qū)。參數(shù)區(qū)存設(shè)備配置比如 IP 地址、校準(zhǔn)系數(shù)、使能開(kāi)關(guān)容量用 8KB 就夠了放在地址 0x000000 到 0x001FFF。運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)存實(shí)時(shí)采集的當(dāng)前值和最近一段時(shí)間的周波數(shù)據(jù)放在 0x002000 到 0x03FFFF約 240KB。剩下的 0x040000 到 0x07FFFF 全部作為日志區(qū)一共 256KB。因?yàn)?MRAM 沒(méi)有寫壽命問(wèn)題日志區(qū)的設(shè)計(jì)可以走“環(huán)形覆蓋”思路不需要磨損均衡這比 Flash 的日志設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單了太多。分區(qū)還得考慮“版本”問(wèn)題。在參數(shù)區(qū)開(kāi)頭放一個(gè) 4 字節(jié)的魔數(shù)和版本號(hào)比如 0xA55A5AA5 開(kāi)頭。固件升級(jí)后如果數(shù)據(jù)格式變了可以根據(jù)版本號(hào)決定是否做遷移。這個(gè)在 MRAM 上做非常順手因?yàn)槟憧梢灾苯幼x取前 4 字節(jié)比對(duì)一下就知道要不要重新初始化。相比之下 Flash 時(shí)代在磨損均衡和版本遷移之間來(lái)回折騰代碼量至少多一倍。4.2 掉電保存的兩種實(shí)現(xiàn)方式工業(yè)設(shè)備掉電時(shí)主控通常還有幾毫秒到幾百毫秒的遲滯時(shí)間取決于電源電路里儲(chǔ)能電容的大小。PIC18F85K22 可以配置低電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到電源電壓掉到閾值以下就觸發(fā)中斷。我在中斷里只做一件事把關(guān)鍵參數(shù)從 RAM 拷貝到 MRAM。因?yàn)?MRAM 寫入本身就是微秒級(jí)而且不需要擦除這個(gè)非常短的掉電窗口足夠完成保存。另一種更省心的方式是周期性持續(xù)寫入。既然 MRAM 沒(méi)有壽命問(wèn)題那就在正常運(yùn)行中每隔幾秒把關(guān)鍵數(shù)據(jù)刷一次進(jìn) MRAM掉電時(shí)根本不用做特殊處理。這個(gè)“寫了不心疼”的用法是 MRAM 獨(dú)有的Flash 上絕對(duì)不敢這么干。我有個(gè)項(xiàng)目就是這么處理的設(shè)備完全斷電后重新上電所有狀態(tài)都能恢復(fù)到斷電前的最后時(shí)刻連硬復(fù)位重啟時(shí)間都省了。這比依賴掉電中斷成功率要高得多也少了很多糊弄人的時(shí)序判斷。4.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)的合理做法MRAM 的位翻轉(zhuǎn)率遠(yuǎn)低于 Flash但工業(yè)環(huán)境里的強(qiáng)電磁干擾依然可能導(dǎo)致單比特翻轉(zhuǎn)。我給 256 字節(jié)頁(yè)加了 CRC16 校驗(yàn)寫入時(shí)算好存入末尾 2 字節(jié)讀取時(shí)重新計(jì)算比對(duì)。CRC 多項(xiàng)式用標(biāo)準(zhǔn) 0x1021代碼 20 行內(nèi)就能寫完。有人問(wèn)怎么不用 CRC32對(duì) 8 位 MCU 來(lái)說(shuō) CRC16 在存儲(chǔ)空間和時(shí)間上的性價(jià)比最高而且檢測(cè)單雙比特翻轉(zhuǎn)的能力完全夠用。這里有一個(gè)我踩過(guò)的坑不要對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)做一次性 CRC 校驗(yàn)每次上電都全盤掃描一遍幾百 KB 的數(shù)據(jù)太耗時(shí)間。我改成按頁(yè)校驗(yàn)讀取哪頁(yè)就校驗(yàn)?zāi)捻?yè)只在讀到異常時(shí)才去做額外處理。這樣既能保證數(shù)據(jù)可信又不影響主程序的實(shí)時(shí)性。5. 現(xiàn)場(chǎng)排查實(shí)錄和常見(jiàn)問(wèn)題速查表跑通并不代表穩(wěn)定穩(wěn)定是在現(xiàn)場(chǎng)磨出來(lái)的。這一節(jié)我把這些年用 MR25H40CDF 遇到過(guò)的典型問(wèn)題整理出來(lái)附帶完整的排查思路。5.1 寫不進(jìn)去的排查順序如果遇到數(shù)據(jù)寫不進(jìn)去不要急著懷疑芯片是壞的。按下面這個(gè)順序挨個(gè)排查大概率 10 分鐘內(nèi)定位。第一步查 WP 引腳電平。如果 WP 拉低且 BP 位非零即使發(fā)送了 WREN受保護(hù)區(qū)域也不會(huì)被寫入。初步驗(yàn)證方式寫操作前臨時(shí)把 WP 拉高重試一次。第二步查 CS 信號(hào)時(shí)序。SPI 命令幀是 CS 拉低后發(fā)送命令結(jié)束后拉高如果片選時(shí)序不對(duì)比如命令之間 CS 沒(méi)有完全拉高復(fù)位MRAM 的狀態(tài)機(jī)會(huì)混亂。第三步查字節(jié)順序。MR25H40CDF 的所有命令都是高位在前如果主機(jī)配置成了 LSB First讀出來(lái)的數(shù)據(jù)就是字節(jié)位反轉(zhuǎn)的看起來(lái)特別像數(shù)據(jù)損壞。第四步查地址范圍超過(guò) 0x07FFFF 的地址直接無(wú)效。5.2 像“偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)位”這種幽靈問(wèn)題我遇到過(guò)一次非常頭疼的故障設(shè)備運(yùn)行幾小時(shí)后偶爾會(huì)讀回錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)但錯(cuò)誤模式?jīng)]有規(guī)律。抓 SPI 波形后發(fā)現(xiàn)SCK 線上存在明顯的過(guò)沖和振鈴導(dǎo)致主機(jī)在采樣時(shí)刻讀到了不確定電平。原因是 PCB 走線過(guò)長(zhǎng)而且 SCK 走線緊挨著一路繼電器驅(qū)動(dòng)線。解決辦法是把 SCK 走線重新布線避開(kāi)繼電器驅(qū)動(dòng)區(qū)同時(shí)加大 SDO 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置并在 SCK 源端串聯(lián)了一個(gè) 22 歐姆的電阻。改板之后問(wèn)題徹底消失。另一個(gè)類似問(wèn)題是 HOLD 引腳懸空造成的前文已經(jīng)提過(guò)。這類問(wèn)題最可惡的地方在于實(shí)驗(yàn)室里完全正常一到現(xiàn)場(chǎng)就發(fā)作因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)有更強(qiáng)的電磁干擾。所以我的經(jīng)驗(yàn)是所有控制引腳必須做確定性的電平處理接 VCC 或者接 GND絕不允許浮空。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決寫操作無(wú)響應(yīng)WP 引腳拉低且 BP 塊保護(hù)開(kāi)啟寫前把 WP 拉高清除 BP 位讀回?cái)?shù)據(jù)全是 0xFFSPI 模式不對(duì)CPOL/CPHA 不匹配確認(rèn) Mode 0 或 Mode 3代碼里統(tǒng)一讀回?cái)?shù)據(jù)位序錯(cuò)亂SPI 配置成了 LSB First檢查 SPI 傳輸函數(shù)的位序設(shè)置改為 MSB First偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SCK 信號(hào)完整性問(wèn)題加串阻、縮短走線、遠(yuǎn)離干擾源芯片完全不響應(yīng)HOLD 引腳懸空HOLD 直接接 VCC上電后狀態(tài)不對(duì)沒(méi)做 PPS 引腳映射PIC 芯片確認(rèn) RC3/RC4/RC5 復(fù)用功能配置正確寫保護(hù)相關(guān)的細(xì)節(jié)我再多啰嗦一句。MR25H40CDF 的狀態(tài)寄存器里 BP1 和 BP0 控制著塊保護(hù)范圍默認(rèn)值可能是非零的。如果項(xiàng)目里不需要塊保護(hù)我建議在初始化時(shí)直接寫入 0x00把整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)解鎖。相應(yīng)代碼就是發(fā)送 WRSR 命令然后寫入 0x00。如果不做這一步有些批次芯片上電默認(rèn)保護(hù)了上半?yún)^(qū)會(huì)出現(xiàn)“前一半能寫后一半寫不進(jìn)去”的詭異情況。void MRAM_UnlockAll(void) { MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x01); // WRSR 命令 SPI1_Transfer(0x00); // 清除 WIP 和 BP 位 MRAM_CS_HIGH(); }這個(gè)初始化動(dòng)作會(huì)清掉 WIP 嗎嚴(yán)格說(shuō)不會(huì)WIP 是只讀狀態(tài)。但送了 0x00 之后 BP1/BP0 都會(huì)被清零整片區(qū)域開(kāi)放寫入。實(shí)測(cè)各批次芯片都要執(zhí)行一次放在系統(tǒng)初始化最前面最穩(wěn)妥。6. 工程中我對(duì) MRAM 的幾個(gè)使用習(xí)慣這些習(xí)慣不是教科書(shū)里的是我在項(xiàng)目里被現(xiàn)場(chǎng)逼出來(lái)的。分享出來(lái)大家可以直接抄作業(yè)。第一MRAM 里存的參數(shù)盡量做成結(jié)構(gòu)體加版本標(biāo)記不要散亂地用裸地址。比如一個(gè)設(shè)備配置結(jié)構(gòu)體開(kāi)頭兩個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)度和版本號(hào)后面字段依次排列。這樣將來(lái)固件升級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變化時(shí)代碼能自動(dòng)判斷老版本的配置是否可以遷移而不是直接讀出一堆錯(cuò)位的數(shù)據(jù)。第二關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙備份寫入。MR25H40CDF 寫入速度足夠快雙備份的代價(jià)也就是多花幾微秒。我在參數(shù)區(qū)的首份偏移 0 處寫一份偏移 8KB 處寫第二份上電時(shí)先讀第一份做 CRC 校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就自動(dòng)切到第二份。兩個(gè)備份都?jí)牧司突謴?fù)出廠默認(rèn)。這種冗余思路在 MRAM 上做起來(lái)極其輕松因?yàn)椴恍枰紤] Flash 擦除塊對(duì)齊的問(wèn)題。第三在掉電保存場(chǎng)景里盡量用頁(yè)寫入而不是字節(jié)寫入。一頁(yè)寫完整參數(shù)比逐字節(jié)寫更不容易出中間態(tài)。雖然 MRAM 本身掉電不會(huì)破壞數(shù)據(jù)但如果寫了一半掉電這一頁(yè)要么是舊數(shù)據(jù)要么是新數(shù)據(jù)可能有部分字段是舊值部分字段是新值。把整個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)體放在同一頁(yè)并且最后一字節(jié)用一個(gè)“提交標(biāo)記”來(lái)區(qū)分是否寫入完成能夠保證數(shù)據(jù)的最終一致性。這個(gè)提交標(biāo)記在寫入完成后置為 0x5A上電判斷這個(gè)標(biāo)記是否為 0x5A是就認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。第四調(diào)試階段把 SPI 時(shí)鐘降低到 1MHz 或者更低。PIC18F85K22 的 SPI 波特率配置改幾個(gè)位就行。低速調(diào)試能讓你清楚看到每一位數(shù)據(jù)的時(shí)序邏輯分析儀抓波形也方便。等波形完全干凈再把時(shí)鐘升到 8MHz 甚至更高。我不止一次看到同行直接上高速出了問(wèn)題還以為是時(shí)序代碼寫錯(cuò)了實(shí)際上放慢速度一眼就看出來(lái)了。7. 我的一點(diǎn)個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 和 PIC18F85K22 的組合用一句話總結(jié)就是“存儲(chǔ)這件事終于不用像伺候大爺一樣伺候了”。寫 Flash 的時(shí)候我腦子里永遠(yuǎn)繃著幾根弦扇區(qū)擦除時(shí)間會(huì)不會(huì)超時(shí)、磨損均衡算法夠不夠健壯、掉電掉到一半塊會(huì)不會(huì)壞。換到 MRAM 上這些擔(dān)憂大部分消失了。你只需要把協(xié)議跑對(duì)、把地址算對(duì)、把校驗(yàn)加上剩下的就是它耐造的地方。我實(shí)際工作中還拿這個(gè)組合做了一個(gè)小型的循環(huán)記錄器用 PIC18F85K22 定時(shí)采集 8 路模擬量每 10ms 存一條帶時(shí)間戳的記錄到 MRAM 的環(huán)形緩沖區(qū)斷電重啟后可以回溯最近 20 分鐘的數(shù)據(jù)。這個(gè)如果放在 Flash 上磨損均衡和扇區(qū)管理夠我寫兩個(gè)星期在 MRAM 上一個(gè)循環(huán)寫指針加頁(yè)寫入函數(shù)兩天就調(diào)通了。這個(gè)差異是實(shí)實(shí)在在的開(kāi)發(fā)效率差距。數(shù)據(jù)手冊(cè)里那些參數(shù)只有真正拿到現(xiàn)場(chǎng)跑過(guò)一輪你才知道它到底有多省心。 工業(yè)存儲(chǔ)選型實(shí)戰(zhàn)：MR25H40CDF MRAM替代Flash與PIC18F85K22驅(qū)動(dòng)詳解
1. 為什么工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)我選 MRAM 而不是 Flash 或 EEPROM嵌入式項(xiàng)目里但凡涉及“存數(shù)據(jù)”大家第一反應(yīng)基本就是 EEPROM 或者 SPI Flash。這倆確實(shí)便宜、容量大、生態(tài)成熟但我這幾年做工業(yè)控制相關(guān)的板卡只要遇到頻繁寫入、突然斷電、環(huán)境溫度惡劣這些場(chǎng)景用起來(lái)就特別別扭。MR25H40CDF 這類串行 MRAM 是我在幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目里替換掉 Flash 之后覺(jué)得最值得聊一聊的方案。先解釋一下 MRAM 到底特殊在哪。MRAM 的核心存儲(chǔ)單元用的是磁性隧道結(jié)靠磁化方向來(lái)記錄數(shù)據(jù)而不是像 Flash 那樣靠電荷 trapped 在浮置柵極里。這個(gè)物理差異帶來(lái)一個(gè)巨大的好處寫入之前不需要擦除。Flash 寫入前必須先擦除塊整塊清掉再寫一來(lái)速度慢二來(lái)磨損大MRAM 的寫操作本質(zhì)上和讀操作一樣就是直接改狀態(tài)按字節(jié)或者按頁(yè)寫都行不需要等擦除時(shí)間。另一個(gè)關(guān)鍵是壽命Flash 的擦寫壽命通常在 1 萬(wàn)到 10 萬(wàn)次之間真要用在需要頻繁記錄狀態(tài)量、計(jì)數(shù)值、溫度曲線的場(chǎng)景很快就能把塊的壽命磨光。MR25H40CDF 的 endurance 標(biāo)稱是無(wú)限次寫入至少?gòu)墓こ探嵌瓤茨慊静挥迷僭u(píng)估“這個(gè)扇區(qū)還能寫幾次”這種問(wèn)題。MR25H40CDF 是 Everspin 的 4Mbit 串行 SPI MRAM工作在 25MHz 時(shí)鐘下容量 4Mbit 也就是 512KB對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)記錄來(lái)說(shuō)是夠用的檔位。PIC18F85K22 是 Microchip 的 8 位單片機(jī)主頻最高 64MHz帶兩個(gè)獨(dú)立的 SPI 模塊內(nèi)部有足夠多的引腳和存儲(chǔ)映射外設(shè)接這顆 MRAM 屬于標(biāo)準(zhǔn)操作。這兩個(gè)器件搭在一起基本覆蓋了工業(yè)嵌入式里最常見(jiàn)的“控制器 掉電不丟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的需求。更適合誰(shuí)看這篇如果你在選型階段正在比較 MRAM、FRAM、EEPROM、SPI Flash 之間的差異或者你已經(jīng)拿到 MR25H40CDF 的樣片想快速跑通讀寫又或者你的項(xiàng)目正在被 Flash 壽命和寫入速度卡脖子這篇文章能讓你少走彎路。1.1 這組搭配解決的核心痛點(diǎn)工業(yè)設(shè)備的日志記錄、參數(shù)備份、運(yùn)行狀態(tài)保存往往有幾個(gè)共同訴求寫入要快掉電不能丟壽命要夠長(zhǎng)寫入過(guò)程不能干擾主程序太長(zhǎng)時(shí)間。我接過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目設(shè)備每 100ms 要記錄一次傳感器數(shù)據(jù)到 Flash選了常見(jiàn)的 W25Q64結(jié)果幾個(gè)月后設(shè)備頻繁出現(xiàn)寫入失敗。拿邏輯分析儀一抓發(fā)現(xiàn)是某個(gè)扇區(qū)反復(fù)被寫磨損導(dǎo)致寫入超時(shí)。后來(lái)?yè)Q MR25H40CDF同樣的代碼邏輯容量還比之前小但一年多跑下來(lái)沒(méi)有任何一次寫入異常。說(shuō)白了MRAM 解決的不只是“硬件夠不夠好”的問(wèn)題它把“要不要寫磨損均衡算法”這個(gè)復(fù)雜度直接從項(xiàng)目里刪掉了。1.2 MRAM 和 FRAM 的差異也要搞清楚經(jīng)常有人問(wèn)FRAM 也是無(wú)限次寫入為什么不選 FRAM。FRAM 在低功耗、小容量場(chǎng)景確實(shí)不錯(cuò)但 FRAM 的工藝密度比 MRAM 低大容量型號(hào)少價(jià)格也偏高。而且 MRAM 在溫度范圍和數(shù)據(jù)保持能力上更有余量MR25H40CDF 支持 -40 到 105 攝氏度的工作溫度數(shù)據(jù)保持超過(guò) 20 年抗輻射能力也強(qiáng)軍用和航天設(shè)備里 MRAM 是常客。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫升、振動(dòng)、電磁干擾MRAM 的容錯(cuò)空間明顯比 EEPROM 和傳統(tǒng) NOR Flash 更從容。2. 硬件連接的每一個(gè)引腳都要較真這一節(jié)直接落到實(shí)際開(kāi)發(fā)板上。PIC18F85K22 的 SPI 模塊我選了 SPI1使用的是標(biāo)準(zhǔn) 4 線模式SCK、SDO、SDI、CS。MR25H40CDF 的引腳分別是 CS、SCK、SI、SO、WP、HOLD、VCC、GND。接法看起來(lái)很簡(jiǎn)單但細(xì)節(jié)處全是坑。2.1 完整的引腳連接表PIC18F85K22 引腳MR25H40CDF 引腳說(shuō)明RC3/SCK1SCKSPI 時(shí)鐘最高 25MHzRC5/SDO1SI數(shù)據(jù)輸入到 MRAMRC4/SDI1SO數(shù)據(jù)從 MRAM 輸出RC2/CS1CS片選低有效任意 GPIO我用 RD0WP寫保護(hù)低有效直接接 VCCHOLD暫停通信不用就拉高VCC3.3VVCC供電GNDGND地WP 和 HOLD 兩個(gè)引腳是新手最容易出問(wèn)題的地方。HOLD 如果不使用絕對(duì)不能懸空必須直接接到 VCC。懸空的 HOLD 引腳在電氣上是高阻態(tài)一點(diǎn)點(diǎn)耦合噪聲就可能讓 MRAM 進(jìn)入 HOLD 模式表現(xiàn)就是數(shù)據(jù)讀寫偶爾失敗而且只在特定溫度或電磁環(huán)境下復(fù)現(xiàn)排查起來(lái)非常痛苦。我在第一版 PCB 上就把 HOLD 漏接了上拉結(jié)果整機(jī)做 EMC 測(cè)試時(shí)出現(xiàn)偶發(fā)通信異常最后抓波形才發(fā)現(xiàn)是 HOLD 被干擾拉低白白浪費(fèi)了兩周時(shí)間。WP 引腳我單獨(dú)分配了一個(gè) GPIO 控制而不是直接接地或者接 VCC。原因在于MR25H40CDF 的塊保護(hù)寄存器Block Protect BP1/BP0會(huì)把一部分地址空間設(shè)為只讀如果 WP 拉低并且 BP 位非零對(duì)受保護(hù)區(qū)域的寫命令會(huì)被忽略。寫操作前用 GPIO 拉高 WP寫完后可以再拉低作為一道軟件防線防止主程序跑飛時(shí)意外寫入關(guān)鍵參數(shù)區(qū)。這個(gè)習(xí)慣是從用 EEPROM 時(shí)留下來(lái)的但在 MRAM 上同樣適用畢竟硬件看門狗難防程序指針錯(cuò)亂后對(duì)存儲(chǔ)器的隨機(jī)寫。2.2 供電和電平匹配不能想當(dāng)然MR25H40CDF 的工作電壓范圍相當(dāng)寬2.0V 到 3.6V 都能正常工作工業(yè)環(huán)境里我用的是 3.3V 供電和 PIC18F85K22 的 IO 電平一致可以直接連接不需要電平轉(zhuǎn)換。如果你用的是 5V 供電的 MCU就必須加電平轉(zhuǎn)換或者串阻分壓MRAM 的輸入引腳不承受 5V 電平。PIC18F85K22 內(nèi)部有可配置的 SDO 驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度SPI 通信頻率高的時(shí)候把 SDO 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)到最大檔位能明顯改善信號(hào)邊沿質(zhì)量。去耦電容我放了兩個(gè)100nF 放在 VCC 和 GND 之間緊貼 MRAM 芯片引腳另外在 PCB 電源入口處加了一個(gè) 10uF 鉭電容做低頻濾波。MRAM 在寫入瞬間會(huì)有毫安級(jí)的電流尖峰如果電源不干凈偶發(fā)的寫失敗就會(huì)跟幽靈一樣時(shí)不時(shí)冒出來(lái)。PCB 布局上CS、SCK、SI、SO 這四根線盡量等長(zhǎng)走線不要穿過(guò)高噪聲區(qū)域比如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電源的反饋采樣走線。SPI 在 25MHz 下信號(hào)沿很快線長(zhǎng)一超過(guò) 5 厘米就得考慮串阻和終端匹配否則反射會(huì)造成數(shù)據(jù)采樣錯(cuò)誤。我在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)25MHz 時(shí)鐘下超過(guò) 8 厘米的杜邦線連接就已經(jīng)不可靠焊接在 PCB 上短走線則完全沒(méi)問(wèn)題。3. PIC18F85K22 的 SPI 驅(qū)動(dòng)代碼每一行都要看懂直接貼完整代碼之前先把 PIC18F85K22 的 SPI 模塊配置說(shuō)清楚。我用的 SPI1主模式時(shí)鐘極性 CPOL0相位 CPHA0也就是 SPI Mode 0。MR25H40CDF 支持 SPI Mode 0 和 Mode 3選哪個(gè)都行但代碼里必須統(tǒng)一混用會(huì)導(dǎo)致第一個(gè)字節(jié)讀出來(lái)全 0現(xiàn)象非常迷惑。MSSP 模塊在 PIC18F85K22 上配置為主模式需要設(shè)置 SSPCON1 寄存器。我把 SCK 頻率設(shè)成 8MHz這是因?yàn)?PIC18F85K22 的系統(tǒng)時(shí)鐘是 32MHz內(nèi)部 PLL 倍頻SPI 預(yù)分頻器選 FOSC/4。8MHz 對(duì) MR25H40CDF 完全夠用MRAM 的最小 SCK 脈沖寬度要求寬裕得多而且 8MHz 下信號(hào)完整性更好排查問(wèn)題也容易。如果你要跑滿 25MHz時(shí)鐘得用外部晶振配合更高的 PLL 倍頻但說(shuō)實(shí)話在工業(yè)控制里沒(méi)必要追求極限。3.1 底層 SPI 字節(jié)收發(fā)函數(shù)// PIC18F85K22 SPI1 底層函數(shù) // 系統(tǒng)時(shí)鐘 32MHzSPI 時(shí)鐘 8MHzMode 0 #define MRAM_CS_LAT() LATCbits.LATC2 0 #define MRAM_CS_HIGH() LATCbits.LATC2 1 #define MRAM_WP_HIGH() LATDbits.LATD0 1 #define MRAM_WP_LOW() LATDbits.LATD0 0 void SPI1_Init(void) { // 配置 RC3/SCK1, RC5/SDO1, RC4/SDI1 為 SPI 功能 TRISCbits.TRISC3 1; TRISCbits.TRISC4 1; TRISCbits.TRISC5 1; ANSELC 0xE7; // 關(guān)閉 RC3-RC5 的模擬輸入功能這一步非常重要 SSP1CON1 0x20; // 0b00100000: 主模式SCK 空閑低電平FOSC/4 // bit5 SSPEN1 使能 SPIbit3 CKP0bit0 SSPM3-00000 表示主模式 FOSC/4 SSP1STAT 0x00; // CKE0SMP0Mode 0采樣在 SCK 中間時(shí)刻 MRAM_CS_HIGH(); MRAM_WP_LOW(); // 默認(rèn)拉低寫保護(hù)防止意外寫入 } uint8_t SPI1_Transfer(uint8_t byte) { SSP1BUF byte; while (!SSP1STATbits.BF); // 等待接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志 return SSP1BUF; }這里有一個(gè)最容易被忽略的初始化細(xì)節(jié)PIC18F85K22 的很多引腳默認(rèn)是模擬輸入RC3、RC4、RC5 在上電后如果沒(méi)有把 ANSELC 對(duì)應(yīng)位清零SPI 引腳的實(shí)際輸入是模擬比較器通路數(shù)字信號(hào)根本進(jìn)不去。這個(gè)坑幾乎每個(gè)用 PIC18F 系列的人都會(huì)踩一次因?yàn)樾酒想娔J(rèn)值就是模擬輸入程序里不主動(dòng)關(guān)閉后面所有 SPI 通信都是無(wú)效的。3.2 發(fā)送命令和讀寫頁(yè)數(shù)據(jù)void MRAM_WriteEnable(void) { MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x06); // WREN 命令 MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_ReadStatus(uint8_t *status) { MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x05); // RDSR *status SPI1_Transfer(0x00); MRAM_CS_HIGH(); } void MRAM_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t data) { MRAM_WP_HIGH(); MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x02); // WRITE 命令 SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); // 23-16 位地址 SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); // 15-8 地址 SPI1_Transfer(addr 0xFF); // 7-0 地址 SPI1_Transfer(data); // 數(shù)據(jù) MRAM_CS_HIGH(); // 輪詢狀態(tài)寄存器等待內(nèi)部寫完成 uint8_t sr 0; do { MRAM_ReadStatus(sr); } while (sr 0x01); // WIP 位為 1 說(shuō)明還在寫 MRAM_WP_LOW(); } uint8_t MRAM_ReadByte(uint32_t addr) { uint8_t data; MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x03); // READ 命令 SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI1_Transfer(addr 0xFF); data SPI1_Transfer(0x00); // 發(fā)送啞字節(jié)讀取數(shù)據(jù) MRAM_CS_HIGH(); return data; }MR25H40CDF 的地址是 24 位4Mbit 容量對(duì)應(yīng)的是 0x000000 到 0x07FFFF所以地址高 8 位在 0x00 到 0x07 之間如果地址超過(guò)這個(gè)范圍命令直接失效。寫使能命令 WREN 必須在每次 WRITE 命令之前發(fā)送芯片上電后默認(rèn)是寫禁止?fàn)顟B(tài)這是標(biāo)準(zhǔn)的 SPI NOR 協(xié)議MRAM 沿用了一套。Status 寄存器的 bit0 是 WIPbit1 是 WEL寫入期間 WIP 為 1主控必須等待它歸零。MRAM 的單字節(jié)寫入時(shí)間大約在 100ns 級(jí)別相比 Flash 的微秒到毫秒級(jí)快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)輪詢循環(huán)基本一跳就過(guò)。3.3 頁(yè)寫入比單字節(jié)寫入更高效MR25H40CDF 支持頁(yè)寫入一頁(yè) 256 字節(jié)。實(shí)際項(xiàng)目中如果參數(shù)表、日志塊是以頁(yè)為單位組織的頁(yè)寫入能把通信開(kāi)銷壓縮到最小。頁(yè)寫入的地址必須對(duì)齊頁(yè)邊界如果跨頁(yè)了命令會(huì)回卷到頁(yè)開(kāi)頭覆蓋前面已寫入的數(shù)據(jù)這是 SPI NOR 類器件的通用行為MRAM 也一樣。我寫項(xiàng)目通常是先攢滿一頁(yè)數(shù)據(jù)放一個(gè) 256 字節(jié)的 RAM 緩沖然后整頁(yè)下刷。void MRAM_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { if (len 256) len 256; // 檢查地址是否跨頁(yè)如果低 8 位加上長(zhǎng)度會(huì)超過(guò) 256截?cái)?if ((addr 0xFF) len 256) { len 256 - (addr 0xFF); } MRAM_WP_HIGH(); MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x02); SPI1_Transfer((addr 16) 0xFF); SPI1_Transfer((addr 8) 0xFF); SPI1_Transfer(addr 0xFF); for (uint16_t i 0; i len; i) { SPI1_Transfer(buf[i]); } MRAM_CS_HIGH(); uint8_t sr 0; do { MRAM_ReadStatus(sr); } while (sr 0x01); // 等待 WIP 清零 MRAM_WP_LOW(); }注意我做的地址跨頁(yè)保護(hù)這是從 Flash 時(shí)代繼承來(lái)的習(xí)慣MRAM 雖然不像 Flash 那樣有“跨頁(yè)回卷”的硬件缺陷但協(xié)議上依然是按頁(yè)來(lái)約束寫操作的。與其依賴協(xié)議細(xì)節(jié)不如在軟件層面直接把邊界算清楚一勞永逸。頁(yè)寫入相比逐字節(jié)寫能省掉大量重復(fù)的命令幀和 CS 拉高拉低操作實(shí)測(cè)在 8MHz SPI 下整頁(yè)寫 256 字節(jié)只需要不到 1ms 的通信時(shí)間而逐字節(jié)寫要 3ms 以上。4. 完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程設(shè)計(jì)從分區(qū)到掉電保護(hù)有了讀寫函數(shù)還不能直接開(kāi)工寫業(yè)務(wù)邏輯。工業(yè)嵌入式里的存儲(chǔ)不是簡(jiǎn)單調(diào)一個(gè) write 函數(shù)就完事的要考慮數(shù)據(jù)怎么組織、怎么防止掉電寫壞、怎么做到版本兼容。這一節(jié)是我認(rèn)為全文最有工程價(jià)值的部分。4.1 把 4Mbit 地址空間規(guī)劃成不同的功能區(qū)我把存儲(chǔ)區(qū)劃分成了三個(gè)區(qū)域參數(shù)區(qū)、運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)、日志區(qū)。參數(shù)區(qū)存設(shè)備配置比如 IP 地址、校準(zhǔn)系數(shù)、使能開(kāi)關(guān)容量用 8KB 就夠了放在地址 0x000000 到 0x001FFF。運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)存實(shí)時(shí)采集的當(dāng)前值和最近一段時(shí)間的周波數(shù)據(jù)放在 0x002000 到 0x03FFFF約 240KB。剩下的 0x040000 到 0x07FFFF 全部作為日志區(qū)一共 256KB。因?yàn)?MRAM 沒(méi)有寫壽命問(wèn)題日志區(qū)的設(shè)計(jì)可以走“環(huán)形覆蓋”思路不需要磨損均衡這比 Flash 的日志設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單了太多。分區(qū)還得考慮“版本”問(wèn)題。在參數(shù)區(qū)開(kāi)頭放一個(gè) 4 字節(jié)的魔數(shù)和版本號(hào)比如 0xA55A5AA5 開(kāi)頭。固件升級(jí)后如果數(shù)據(jù)格式變了可以根據(jù)版本號(hào)決定是否做遷移。這個(gè)在 MRAM 上做非常順手因?yàn)槟憧梢灾苯幼x取前 4 字節(jié)比對(duì)一下就知道要不要重新初始化。相比之下 Flash 時(shí)代在磨損均衡和版本遷移之間來(lái)回折騰代碼量至少多一倍。4.2 掉電保存的兩種實(shí)現(xiàn)方式工業(yè)設(shè)備掉電時(shí)主控通常還有幾毫秒到幾百毫秒的遲滯時(shí)間取決于電源電路里儲(chǔ)能電容的大小。PIC18F85K22 可以配置低電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到電源電壓掉到閾值以下就觸發(fā)中斷。我在中斷里只做一件事把關(guān)鍵參數(shù)從 RAM 拷貝到 MRAM。因?yàn)?MRAM 寫入本身就是微秒級(jí)而且不需要擦除這個(gè)非常短的掉電窗口足夠完成保存。另一種更省心的方式是周期性持續(xù)寫入。既然 MRAM 沒(méi)有壽命問(wèn)題那就在正常運(yùn)行中每隔幾秒把關(guān)鍵數(shù)據(jù)刷一次進(jìn) MRAM掉電時(shí)根本不用做特殊處理。這個(gè)“寫了不心疼”的用法是 MRAM 獨(dú)有的Flash 上絕對(duì)不敢這么干。我有個(gè)項(xiàng)目就是這么處理的設(shè)備完全斷電后重新上電所有狀態(tài)都能恢復(fù)到斷電前的最后時(shí)刻連硬復(fù)位重啟時(shí)間都省了。這比依賴掉電中斷成功率要高得多也少了很多糊弄人的時(shí)序判斷。4.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)的合理做法MRAM 的位翻轉(zhuǎn)率遠(yuǎn)低于 Flash但工業(yè)環(huán)境里的強(qiáng)電磁干擾依然可能導(dǎo)致單比特翻轉(zhuǎn)。我給 256 字節(jié)頁(yè)加了 CRC16 校驗(yàn)寫入時(shí)算好存入末尾 2 字節(jié)讀取時(shí)重新計(jì)算比對(duì)。CRC 多項(xiàng)式用標(biāo)準(zhǔn) 0x1021代碼 20 行內(nèi)就能寫完。有人問(wèn)怎么不用 CRC32對(duì) 8 位 MCU 來(lái)說(shuō) CRC16 在存儲(chǔ)空間和時(shí)間上的性價(jià)比最高而且檢測(cè)單雙比特翻轉(zhuǎn)的能力完全夠用。這里有一個(gè)我踩過(guò)的坑不要對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)做一次性 CRC 校驗(yàn)每次上電都全盤掃描一遍幾百 KB 的數(shù)據(jù)太耗時(shí)間。我改成按頁(yè)校驗(yàn)讀取哪頁(yè)就校驗(yàn)?zāi)捻?yè)只在讀到異常時(shí)才去做額外處理。這樣既能保證數(shù)據(jù)可信又不影響主程序的實(shí)時(shí)性。5. 現(xiàn)場(chǎng)排查實(shí)錄和常見(jiàn)問(wèn)題速查表跑通并不代表穩(wěn)定穩(wěn)定是在現(xiàn)場(chǎng)磨出來(lái)的。這一節(jié)我把這些年用 MR25H40CDF 遇到過(guò)的典型問(wèn)題整理出來(lái)附帶完整的排查思路。5.1 寫不進(jìn)去的排查順序如果遇到數(shù)據(jù)寫不進(jìn)去不要急著懷疑芯片是壞的。按下面這個(gè)順序挨個(gè)排查大概率 10 分鐘內(nèi)定位。第一步查 WP 引腳電平。如果 WP 拉低且 BP 位非零即使發(fā)送了 WREN受保護(hù)區(qū)域也不會(huì)被寫入。初步驗(yàn)證方式寫操作前臨時(shí)把 WP 拉高重試一次。第二步查 CS 信號(hào)時(shí)序。SPI 命令幀是 CS 拉低后發(fā)送命令結(jié)束后拉高如果片選時(shí)序不對(duì)比如命令之間 CS 沒(méi)有完全拉高復(fù)位MRAM 的狀態(tài)機(jī)會(huì)混亂。第三步查字節(jié)順序。MR25H40CDF 的所有命令都是高位在前如果主機(jī)配置成了 LSB First讀出來(lái)的數(shù)據(jù)就是字節(jié)位反轉(zhuǎn)的看起來(lái)特別像數(shù)據(jù)損壞。第四步查地址范圍超過(guò) 0x07FFFF 的地址直接無(wú)效。5.2 像“偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)位”這種幽靈問(wèn)題我遇到過(guò)一次非常頭疼的故障設(shè)備運(yùn)行幾小時(shí)后偶爾會(huì)讀回錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)但錯(cuò)誤模式?jīng)]有規(guī)律。抓 SPI 波形后發(fā)現(xiàn)SCK 線上存在明顯的過(guò)沖和振鈴導(dǎo)致主機(jī)在采樣時(shí)刻讀到了不確定電平。原因是 PCB 走線過(guò)長(zhǎng)而且 SCK 走線緊挨著一路繼電器驅(qū)動(dòng)線。解決辦法是把 SCK 走線重新布線避開(kāi)繼電器驅(qū)動(dòng)區(qū)同時(shí)加大 SDO 的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置并在 SCK 源端串聯(lián)了一個(gè) 22 歐姆的電阻。改板之后問(wèn)題徹底消失。另一個(gè)類似問(wèn)題是 HOLD 引腳懸空造成的前文已經(jīng)提過(guò)。這類問(wèn)題最可惡的地方在于實(shí)驗(yàn)室里完全正常一到現(xiàn)場(chǎng)就發(fā)作因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)有更強(qiáng)的電磁干擾。所以我的經(jīng)驗(yàn)是所有控制引腳必須做確定性的電平處理接 VCC 或者接 GND絕不允許浮空。5.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決寫操作無(wú)響應(yīng)WP 引腳拉低且 BP 塊保護(hù)開(kāi)啟寫前把 WP 拉高清除 BP 位讀回?cái)?shù)據(jù)全是 0xFFSPI 模式不對(duì)CPOL/CPHA 不匹配確認(rèn) Mode 0 或 Mode 3代碼里統(tǒng)一讀回?cái)?shù)據(jù)位序錯(cuò)亂SPI 配置成了 LSB First檢查 SPI 傳輸函數(shù)的位序設(shè)置改為 MSB First偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤SCK 信號(hào)完整性問(wèn)題加串阻、縮短走線、遠(yuǎn)離干擾源芯片完全不響應(yīng)HOLD 引腳懸空HOLD 直接接 VCC上電后狀態(tài)不對(duì)沒(méi)做 PPS 引腳映射PIC 芯片確認(rèn) RC3/RC4/RC5 復(fù)用功能配置正確寫保護(hù)相關(guān)的細(xì)節(jié)我再多啰嗦一句。MR25H40CDF 的狀態(tài)寄存器里 BP1 和 BP0 控制著塊保護(hù)范圍默認(rèn)值可能是非零的。如果項(xiàng)目里不需要塊保護(hù)我建議在初始化時(shí)直接寫入 0x00把整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)解鎖。相應(yīng)代碼就是發(fā)送 WRSR 命令然后寫入 0x00。如果不做這一步有些批次芯片上電默認(rèn)保護(hù)了上半?yún)^(qū)會(huì)出現(xiàn)“前一半能寫后一半寫不進(jìn)去”的詭異情況。void MRAM_UnlockAll(void) { MRAM_WriteEnable(); MRAM_CS_LAT(); SPI1_Transfer(0x01); // WRSR 命令 SPI1_Transfer(0x00); // 清除 WIP 和 BP 位 MRAM_CS_HIGH(); }這個(gè)初始化動(dòng)作會(huì)清掉 WIP 嗎嚴(yán)格說(shuō)不會(huì)WIP 是只讀狀態(tài)。但送了 0x00 之后 BP1/BP0 都會(huì)被清零整片區(qū)域開(kāi)放寫入。實(shí)測(cè)各批次芯片都要執(zhí)行一次放在系統(tǒng)初始化最前面最穩(wěn)妥。6. 工程中我對(duì) MRAM 的幾個(gè)使用習(xí)慣這些習(xí)慣不是教科書(shū)里的是我在項(xiàng)目里被現(xiàn)場(chǎng)逼出來(lái)的。分享出來(lái)大家可以直接抄作業(yè)。第一MRAM 里存的參數(shù)盡量做成結(jié)構(gòu)體加版本標(biāo)記不要散亂地用裸地址。比如一個(gè)設(shè)備配置結(jié)構(gòu)體開(kāi)頭兩個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)度和版本號(hào)后面字段依次排列。這樣將來(lái)固件升級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變化時(shí)代碼能自動(dòng)判斷老版本的配置是否可以遷移而不是直接讀出一堆錯(cuò)位的數(shù)據(jù)。第二關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙備份寫入。MR25H40CDF 寫入速度足夠快雙備份的代價(jià)也就是多花幾微秒。我在參數(shù)區(qū)的首份偏移 0 處寫一份偏移 8KB 處寫第二份上電時(shí)先讀第一份做 CRC 校驗(yàn)校驗(yàn)失敗就自動(dòng)切到第二份。兩個(gè)備份都?jí)牧司突謴?fù)出廠默認(rèn)。這種冗余思路在 MRAM 上做起來(lái)極其輕松因?yàn)椴恍枰紤] Flash 擦除塊對(duì)齊的問(wèn)題。第三在掉電保存場(chǎng)景里盡量用頁(yè)寫入而不是字節(jié)寫入。一頁(yè)寫完整參數(shù)比逐字節(jié)寫更不容易出中間態(tài)。雖然 MRAM 本身掉電不會(huì)破壞數(shù)據(jù)但如果寫了一半掉電這一頁(yè)要么是舊數(shù)據(jù)要么是新數(shù)據(jù)可能有部分字段是舊值部分字段是新值。把整個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)體放在同一頁(yè)并且最后一字節(jié)用一個(gè)“提交標(biāo)記”來(lái)區(qū)分是否寫入完成能夠保證數(shù)據(jù)的最終一致性。這個(gè)提交標(biāo)記在寫入完成后置為 0x5A上電判斷這個(gè)標(biāo)記是否為 0x5A是就認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。第四調(diào)試階段把 SPI 時(shí)鐘降低到 1MHz 或者更低。PIC18F85K22 的 SPI 波特率配置改幾個(gè)位就行。低速調(diào)試能讓你清楚看到每一位數(shù)據(jù)的時(shí)序邏輯分析儀抓波形也方便。等波形完全干凈再把時(shí)鐘升到 8MHz 甚至更高。我不止一次看到同行直接上高速出了問(wèn)題還以為是時(shí)序代碼寫錯(cuò)了實(shí)際上放慢速度一眼就看出來(lái)了。7. 我的一點(diǎn)個(gè)人體會(huì)MR25H40CDF 和 PIC18F85K22 的組合用一句話總結(jié)就是“存儲(chǔ)這件事終于不用像伺候大爺一樣伺候了”。寫 Flash 的時(shí)候我腦子里永遠(yuǎn)繃著幾根弦扇區(qū)擦除時(shí)間會(huì)不會(huì)超時(shí)、磨損均衡算法夠不夠健壯、掉電掉到一半塊會(huì)不會(huì)壞。換到 MRAM 上這些擔(dān)憂大部分消失了。你只需要把協(xié)議跑對(duì)、把地址算對(duì)、把校驗(yàn)加上剩下的就是它耐造的地方。我實(shí)際工作中還拿這個(gè)組合做了一個(gè)小型的循環(huán)記錄器用 PIC18F85K22 定時(shí)采集 8 路模擬量每 10ms 存一條帶時(shí)間戳的記錄到 MRAM 的環(huán)形緩沖區(qū)斷電重啟后可以回溯最近 20 分鐘的數(shù)據(jù)。這個(gè)如果放在 Flash 上磨損均衡和扇區(qū)管理夠我寫兩個(gè)星期在 MRAM 上一個(gè)循環(huán)寫指針加頁(yè)寫入函數(shù)兩天就調(diào)通了。這個(gè)差異是實(shí)實(shí)在在的開(kāi)發(fā)效率差距。數(shù)據(jù)手冊(cè)里那些參數(shù)只有真正拿到現(xiàn)場(chǎng)跑過(guò)一輪你才知道它到底有多省心。