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)里越來越受關(guān)注搞過工業(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)芯片這件事看著簡單實(shí)際上坑特別多。EEPROM 寫入慢、壽命有限NOR Flash 擦除塊大、寫入前必須擦除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 一樣快地讀寫像 Flash 一樣掉電不丟數(shù)據(jù)像 EEPROM 一樣能反復(fù)擦寫而且?guī)缀鯖]有擦除這個(gè)概念。你不需要先擦后寫直接覆蓋就行寫入次數(shù)理論上無限寫入一個(gè)字節(jié)和寫入一整頁在時(shí)間上沒有本質(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)場景里很常見。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)際讀寫測試把整套流程拆開講清楚。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”說透不然選型邏輯不成立后面寫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、接口簡單缺點(diǎn)是寫入速度慢頁寫入周期動(dòng)輒 5ms而且壽命通常標(biāo)稱 100 萬次。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)是寫入前必須擦除擦除是按扇區(qū)來的4KB 起步而且擦除時(shí)間長幾十到幾百毫秒壽命也就 10 萬次左右。MR25H40CDF 的定位正好卡在中間偏上的位置。4Mbit 換算過來是 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)鍵是它的寫入行為沒有擦除步驟字節(jié)級(jí)隨機(jī)寫入寫入時(shí)間恒定壽命幾乎無限。這意味著你在寫驅(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)心寫壞塊。代碼邏輯一下子簡化了很多。從功耗角度看MRAM 寫入不需要電荷泵升壓寫入電流比 Flash 小寫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)備來說這個(gè)優(yōu)勢很實(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)颉５紤]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)測下來軟件片選更靈活因?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)讀寫大量數(shù)據(jù)開 DMA 能顯著降低 CPU 占用。不過對(duì)于 MRAM 這種隨機(jī)讀寫為主的場景DMA 的收益沒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)出問題。MR25H40CDF 的引腳定義VDD、VSS、SCK、SIMOSI、SOMISO、CS、WP寫保護(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)入寫保護(hù)或者保持狀態(tài)導(dǎo)致讀寫異常。這個(gè)坑我踩過當(dāng)時(shí)調(diào)試了半天以為是 SPI 配置問題結(jié)果是 HOLD 腳沒處理。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 在寫入瞬間會(huì)有電流波動(dòng)去耦不好可能導(dǎo)致寫入失敗或者數(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)說清楚。指令名稱指令碼功能說明地址字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)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)3NWRITE0x02寫數(shù)據(jù)3NRDID0x9F讀設(shè)備 ID03寫操作之前必須先發(fā) WREN0x06把芯片的寫使能鎖存器置位。寫完數(shù)據(jù)后寫使能會(huì)自動(dòng)復(fù)位。如果你連續(xù)寫多個(gè)位置每次寫之前都要重新發(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寫入過程中為 1寫完為 0。但 MRAM 的寫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)。不過為了代碼的健壯性寫完關(guān)鍵數(shù)據(jù)后還是可以讀一下狀態(tài)寄存器確認(rèn)。3.3 地址空間與頁邊界處理MR25H40CDF 的地址空間是 0x000000 到 0x07FFFF總共 512KB。讀寫操作沒有頁邊界限制你可以從任意地址開始連續(xù)讀寫任意長度。這一點(diǎn)比 Flash 方便太多Flash 寫跨頁的時(shí)候需要分頁處理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)寫到錯(cuò)誤的地址去。我在代碼里一般用宏來拼接地址字節(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 沒有擦除概念但寫保護(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入。如果你存了關(guān)鍵參數(shù)可以開啟寫保護(hù)防止程序跑飛誤寫。這個(gè)功能在工業(yè)場景里很有用。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 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 庫會(huì)幫你初始化 SPI。但 HAL 庫的 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。不過對(duì)于大部分應(yīng)用HAL 夠用了。4.2 底層讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)先寫幾個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)CS 控制、SPI 單字節(jié)收發(fā)、寫使能、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)寫入流程與注意事項(xiàng)寫數(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 的上升沿來鎖存寫使能狀態(tài)。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫使能可能不生效數(shù)據(jù)寫不進(jìn)去。這個(gè)坑我在第一次用的時(shí)候踩過當(dāng)時(shí)以為 WREN 和 WRITE 可以連在一起發(fā)結(jié)果寫進(jìn)去的全是 0xFF。另外雖然 MRAM 寫入很快但如果你連續(xù)寫大量數(shù)據(jù)建議每寫 256 字節(jié)左右檢查一下狀態(tài)寄存器確認(rèn) WIP 為 0。雖然理論上不會(huì)出問題但在工業(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)比寫數(shù)據(jù)簡單不需要 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。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 庫的 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS 就行。實(shí)測下來用 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)際測試與性能數(shù)據(jù)記錄5.1 讀寫速度實(shí)測我在 STM32L496ZG 開發(fā)板上掛了一顆 MR25H40CDFSPI 時(shí)鐘設(shè)到 20MHz做了幾組測試。測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)量耗時(shí)平均速度單字節(jié)寫1 字節(jié)約 2.5us400KB/s連續(xù)寫1KB約 520us1.9MB/s連續(xù)寫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)讀寫的時(shí)候指令和地址的開銷被攤薄了速度就上來了。20MHz 時(shí)鐘理論極限是 2.5MB/s實(shí)測 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)讀寫速度能到 3.8MB/s 左右。但前提是你的 PCB 布線要過關(guān)不然誤碼率會(huì)上升。我在杜邦線連的板子上試過 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)保持測試MRAM 的掉電保持是它的核心賣點(diǎn)我專門做了測試。寫入一批數(shù)據(jù)后直接拔掉電源等 10 秒再上電讀出來的數(shù)據(jù)和寫入的完全一致。反復(fù)做了 50 次沒有出現(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 再讀也沒問題。MR25H40CDF 的工業(yè)級(jí)溫度范圍是 -40°C 到 85°C實(shí)測在這個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)保持是可靠的。寫入壽命方面官方標(biāo)稱是無限次。我做了個(gè)簡單的耐久測試對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)寫入 100 萬次每次寫入后讀回校驗(yàn)沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然沒法驗(yàn)證“無限”這個(gè)說法但至少 100 萬次是穩(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 左右讀寫狀態(tài)下的電流在 5mA 到 8mA 之間。寫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 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)。需要讀寫的時(shí)候再初始化 SPI這樣整體功耗還能再降。6. 常見問題與排查技巧實(shí)錄6.1 讀寫失敗問題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出來全是 0xFFCS 沒拉低、SPI 沒初始化、MISO 接錯(cuò)用邏輯分析儀抓波形檢查 CS 和 SPI 配置讀出來全是 0x00MISO 被拉低、芯片沒供電萬用表測電壓檢查供電和 MISO 連接寫入后讀回?cái)?shù)據(jù)不對(duì)WREN 沒生效、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)鐘測試降頻、加串阻、縮短走線芯片不響應(yīng)WP 或 HOLD 懸空測 WP/HOLD 電平上拉到 VDD寫入后數(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)問題我遇到過兩次每次都是調(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)入寫保護(hù)或保持狀態(tài)。表現(xiàn)就是有時(shí)候能寫有時(shí)候?qū)懖贿M(jìn)去或者讀出來的數(shù)據(jù)錯(cuò)位。解決辦法很簡單把這兩個(gè)腳通過 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WREN 之后必須拉高 CS讓芯片鎖存寫使能狀態(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寫使能不會(huì)生效數(shù)據(jù)寫不進(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)部根本沒使能寫入。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。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 做一次讀寫自檢寫一個(gè)測試模式到某個(gè)保留地址讀回來對(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)寫入 MRAM。MRAM 寫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 寫入前必須擦除MRAM 不需要。你的寫函數(shù)里如果有sector_erase或者chip_erase的調(diào)用直接刪掉。寫之前也不需要檢查地址是否對(duì)齊到頁邊界MRAM 支持任意地址寫入。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 的頁大小通常是 256 字節(jié)寫跨頁的時(shí)候需要分頁MRAM 不需要你可以一次寫任意長度。第三狀態(tài)寄存器的處理。Flash 的 WIP 位在擦除和寫入時(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化甚至可以直接去掉。但為了代碼兼容性保留一個(gè)簡單的狀態(tài)檢查也無妨。第四磨損均衡可以去掉。Flash 需要磨損均衡來延長壽命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 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)場景下的應(yīng)用擴(kuò)展思路MR25H40CDF 加 STM32L496ZG 這套組合在工業(yè)場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)每秒寫一次寫滿之后從頭覆蓋。因?yàn)?MRAM 寫入快、壽命無限你可以放心地高頻寫入不用擔(dān)心寫壞芯片。STM32L496ZG 的低功耗特性還能讓設(shè)備用電池跑很長時(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)保存下來下次上電恢復(fù)。MRAM 寫入速度快掉電檢測到寫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簡單粗暴。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 里讀寫方便不怕掉電。而且 MRAM 支持字節(jié)級(jí)寫入修改單個(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 的無限寫入壽命特別適合這種場景你可以放心地每條事件都寫一次不用擔(dān)心壽命問題。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干擾能力比較強(qiáng)而且沒有電荷泄漏問題適合存儲(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 高一些但換來的是更簡單的代碼、更高的可靠性、更長的壽命。在工業(yè)場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、不用等 WIP代碼寫起來清爽很多調(diào)試時(shí)間也短了。剛開始用的時(shí)候可能覺得成本高但算上開發(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)里越來越受關(guān)注搞過工業(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)芯片這件事看著簡單實(shí)際上坑特別多。EEPROM 寫入慢、壽命有限NOR Flash 擦除塊大、寫入前必須擦除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 一樣快地讀寫像 Flash 一樣掉電不丟數(shù)據(jù)像 EEPROM 一樣能反復(fù)擦寫而且?guī)缀鯖]有擦除這個(gè)概念。你不需要先擦后寫直接覆蓋就行寫入次數(shù)理論上無限寫入一個(gè)字節(jié)和寫入一整頁在時(shí)間上沒有本質(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)場景里很常見。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)際讀寫測試把整套流程拆開講清楚。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”說透不然選型邏輯不成立后面寫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、接口簡單缺點(diǎn)是寫入速度慢頁寫入周期動(dòng)輒 5ms而且壽命通常標(biāo)稱 100 萬次。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)是寫入前必須擦除擦除是按扇區(qū)來的4KB 起步而且擦除時(shí)間長幾十到幾百毫秒壽命也就 10 萬次左右。MR25H40CDF 的定位正好卡在中間偏上的位置。4Mbit 換算過來是 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)鍵是它的寫入行為沒有擦除步驟字節(jié)級(jí)隨機(jī)寫入寫入時(shí)間恒定壽命幾乎無限。這意味著你在寫驅(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)心寫壞塊。代碼邏輯一下子簡化了很多。從功耗角度看MRAM 寫入不需要電荷泵升壓寫入電流比 Flash 小寫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)備來說這個(gè)優(yōu)勢很實(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)颉５紤]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)測下來軟件片選更靈活因?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)讀寫大量數(shù)據(jù)開 DMA 能顯著降低 CPU 占用。不過對(duì)于 MRAM 這種隨機(jī)讀寫為主的場景DMA 的收益沒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)出問題。MR25H40CDF 的引腳定義VDD、VSS、SCK、SIMOSI、SOMISO、CS、WP寫保護(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)入寫保護(hù)或者保持狀態(tài)導(dǎo)致讀寫異常。這個(gè)坑我踩過當(dāng)時(shí)調(diào)試了半天以為是 SPI 配置問題結(jié)果是 HOLD 腳沒處理。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 在寫入瞬間會(huì)有電流波動(dòng)去耦不好可能導(dǎo)致寫入失敗或者數(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)說清楚。指令名稱指令碼功能說明地址字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)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)3NWRITE0x02寫數(shù)據(jù)3NRDID0x9F讀設(shè)備 ID03寫操作之前必須先發(fā) WREN0x06把芯片的寫使能鎖存器置位。寫完數(shù)據(jù)后寫使能會(huì)自動(dòng)復(fù)位。如果你連續(xù)寫多個(gè)位置每次寫之前都要重新發(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寫入過程中為 1寫完為 0。但 MRAM 的寫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)。不過為了代碼的健壯性寫完關(guān)鍵數(shù)據(jù)后還是可以讀一下狀態(tài)寄存器確認(rèn)。3.3 地址空間與頁邊界處理MR25H40CDF 的地址空間是 0x000000 到 0x07FFFF總共 512KB。讀寫操作沒有頁邊界限制你可以從任意地址開始連續(xù)讀寫任意長度。這一點(diǎn)比 Flash 方便太多Flash 寫跨頁的時(shí)候需要分頁處理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)寫到錯(cuò)誤的地址去。我在代碼里一般用宏來拼接地址字節(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 沒有擦除概念但寫保護(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入。如果你存了關(guān)鍵參數(shù)可以開啟寫保護(hù)防止程序跑飛誤寫。這個(gè)功能在工業(yè)場景里很有用。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 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 庫會(huì)幫你初始化 SPI。但 HAL 庫的 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。不過對(duì)于大部分應(yīng)用HAL 夠用了。4.2 底層讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)先寫幾個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)CS 控制、SPI 單字節(jié)收發(fā)、寫使能、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)寫入流程與注意事項(xiàng)寫數(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 的上升沿來鎖存寫使能狀態(tài)。如果你在 WREN 之后不拉高 CS 就直接發(fā) WRITE寫使能可能不生效數(shù)據(jù)寫不進(jìn)去。這個(gè)坑我在第一次用的時(shí)候踩過當(dāng)時(shí)以為 WREN 和 WRITE 可以連在一起發(fā)結(jié)果寫進(jìn)去的全是 0xFF。另外雖然 MRAM 寫入很快但如果你連續(xù)寫大量數(shù)據(jù)建議每寫 256 字節(jié)左右檢查一下狀態(tài)寄存器確認(rèn) WIP 為 0。雖然理論上不會(huì)出問題但在工業(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)比寫數(shù)據(jù)簡單不需要 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。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 庫的 DMA 傳輸完成回調(diào)里拉高 CS 就行。實(shí)測下來用 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)際測試與性能數(shù)據(jù)記錄5.1 讀寫速度實(shí)測我在 STM32L496ZG 開發(fā)板上掛了一顆 MR25H40CDFSPI 時(shí)鐘設(shè)到 20MHz做了幾組測試。測試項(xiàng)目數(shù)據(jù)量耗時(shí)平均速度單字節(jié)寫1 字節(jié)約 2.5us400KB/s連續(xù)寫1KB約 520us1.9MB/s連續(xù)寫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)讀寫的時(shí)候指令和地址的開銷被攤薄了速度就上來了。20MHz 時(shí)鐘理論極限是 2.5MB/s實(shí)測 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)讀寫速度能到 3.8MB/s 左右。但前提是你的 PCB 布線要過關(guān)不然誤碼率會(huì)上升。我在杜邦線連的板子上試過 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)保持測試MRAM 的掉電保持是它的核心賣點(diǎn)我專門做了測試。寫入一批數(shù)據(jù)后直接拔掉電源等 10 秒再上電讀出來的數(shù)據(jù)和寫入的完全一致。反復(fù)做了 50 次沒有出現(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 再讀也沒問題。MR25H40CDF 的工業(yè)級(jí)溫度范圍是 -40°C 到 85°C實(shí)測在這個(gè)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)保持是可靠的。寫入壽命方面官方標(biāo)稱是無限次。我做了個(gè)簡單的耐久測試對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)寫入 100 萬次每次寫入后讀回校驗(yàn)沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然沒法驗(yàn)證“無限”這個(gè)說法但至少 100 萬次是穩(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 左右讀寫狀態(tài)下的電流在 5mA 到 8mA 之間。寫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 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)。需要讀寫的時(shí)候再初始化 SPI這樣整體功耗還能再降。6. 常見問題與排查技巧實(shí)錄6.1 讀寫失敗問題速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案讀出來全是 0xFFCS 沒拉低、SPI 沒初始化、MISO 接錯(cuò)用邏輯分析儀抓波形檢查 CS 和 SPI 配置讀出來全是 0x00MISO 被拉低、芯片沒供電萬用表測電壓檢查供電和 MISO 連接寫入后讀回?cái)?shù)據(jù)不對(duì)WREN 沒生效、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)鐘測試降頻、加串阻、縮短走線芯片不響應(yīng)WP 或 HOLD 懸空測 WP/HOLD 電平上拉到 VDD寫入后數(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)問題我遇到過兩次每次都是調(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)入寫保護(hù)或保持狀態(tài)。表現(xiàn)就是有時(shí)候能寫有時(shí)候?qū)懖贿M(jìn)去或者讀出來的數(shù)據(jù)錯(cuò)位。解決辦法很簡單把這兩個(gè)腳通過 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WREN 之后必須拉高 CS讓芯片鎖存寫使能狀態(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寫使能不會(huì)生效數(shù)據(jù)寫不進(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)部根本沒使能寫入。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。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 做一次讀寫自檢寫一個(gè)測試模式到某個(gè)保留地址讀回來對(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)寫入 MRAM。MRAM 寫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 寫入前必須擦除MRAM 不需要。你的寫函數(shù)里如果有sector_erase或者chip_erase的調(diào)用直接刪掉。寫之前也不需要檢查地址是否對(duì)齊到頁邊界MRAM 支持任意地址寫入。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 的頁大小通常是 256 字節(jié)寫跨頁的時(shí)候需要分頁MRAM 不需要你可以一次寫任意長度。第三狀態(tài)寄存器的處理。Flash 的 WIP 位在擦除和寫入時(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化甚至可以直接去掉。但為了代碼兼容性保留一個(gè)簡單的狀態(tài)檢查也無妨。第四磨損均衡可以去掉。Flash 需要磨損均衡來延長壽命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 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)場景下的應(yīng)用擴(kuò)展思路MR25H40CDF 加 STM32L496ZG 這套組合在工業(yè)場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)每秒寫一次寫滿之后從頭覆蓋。因?yàn)?MRAM 寫入快、壽命無限你可以放心地高頻寫入不用擔(dān)心寫壞芯片。STM32L496ZG 的低功耗特性還能讓設(shè)備用電池跑很長時(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)保存下來下次上電恢復(fù)。MRAM 寫入速度快掉電檢測到寫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簡單粗暴。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 里讀寫方便不怕掉電。而且 MRAM 支持字節(jié)級(jí)寫入修改單個(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 的無限寫入壽命特別適合這種場景你可以放心地每條事件都寫一次不用擔(dān)心壽命問題。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干擾能力比較強(qiáng)而且沒有電荷泄漏問題適合存儲(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 高一些但換來的是更簡單的代碼、更高的可靠性、更長的壽命。在工業(yè)場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、不用等 WIP代碼寫起來清爽很多調(diào)試時(shí)間也短了。剛開始用的時(shí)候可能覺得成本高但算上開發(fā)和維護(hù)的時(shí)間成本其實(shí)未必虧。