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速度慢二來磨損大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 萬到 10 萬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)稱是無限次寫入至少從工程角度看你基本不用再評(píng)估“這個(gè)扇區(qū)還能寫幾次”這種問題。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)記錄來說是夠用的檔位。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)嵌入式里最常見的“控制器 掉電不丟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的需求。更適合誰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)寫入過程不能干擾主程序太長(zhǎng)時(shí)間。我接過一個(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)。后來換 MR25H40CDF同樣的代碼邏輯容量還比之前小但一年多跑下來沒有任何一次寫入異常。說白了MRAM 解決的不只是“硬件夠不夠好”的問題它把“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FRAM 也是無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 20 年抗輻射能力也強(qiáng)軍用和航天設(shè)備里 MRAM 是?？汀９I(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。PCB 布局上CS、SCK、SI、SO 這四根線盡量等長(zhǎng)走線不要穿過高噪聲區(qū)域比如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、開關(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 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 8 厘米的杜邦線連接就已經(jīng)不可靠焊接在 PCB 上短走線則完全沒問題。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 倍頻但說實(shí)話在工業(yè)控制里沒必要追求極限。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 通信都是無效的。3.2 發(fā)送命令和讀寫頁數(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。3.3 頁寫入比單字節(jié)寫入更高效MR25H40CDF 支持頁寫入一頁 256 字節(jié)。實(shí)際項(xiàng)目中如果參數(shù)表、日志塊是以頁為單位組織的頁寫入能把通信開銷壓縮到最小。頁寫入的地址必須對(duì)齊頁邊界如果跨頁了命令會(huì)回卷到頁開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數(shù)據(jù)放一個(gè) 256 字節(jié)的 RAM 緩沖然后整頁下刷。void MRAM_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { if (len 256) len 256; // 檢查地址是否跨頁如果低 8 位加上長(zhǎng)度會(huì)超過 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保護(hù)這是從 Flash 時(shí)代繼承來的習(xí)慣MRAM 雖然不像 Flash 那樣有“跨頁回卷”的硬件缺陷但協(xié)議上依然是按頁來約束寫操作的。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 沒有寫壽命問題日志區(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”問題。在參數(shù)區(qū)開頭放一個(gè) 4 字節(jié)的魔數(shù)和版本號(hào)比如 0xA55A5AA5 開頭。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 沒有壽命問題那就在正常運(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。有人問怎么不用 CRC32對(duì) 8 位 MCU 來說 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。我改成按頁校驗(yàn)讀取哪頁就校驗(yàn)?zāi)捻撝辉谧x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)錄和常見問題速查表跑通并不代表穩(wěn)定穩(wěn)定是在現(xiàn)場(chǎng)磨出來的。這一節(jié)我把這些年用 MR25H40CDF 遇到過的典型問題整理出來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讀出來的數(shù)據(jù)就是字節(jié)位反轉(zhuǎn)的看起來特別像數(shù)據(jù)損壞。第四步查地址范圍超過 0x07FFFF 的地址直接無效。5.2 像“偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)位”這種幽靈問題我遇到過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。改板之后問題徹底消失。另一個(gè)類似問題是 HOLD 引腳懸空造成的前文已經(jīng)提過。這類問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 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決寫操作無響應(yīng)WP 引腳拉低且 BP 塊保護(hù)開啟寫前把 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)慣不是教科書里的是我在項(xiàng)目里被現(xiàn)場(chǎng)逼出來的。分享出來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 上做起來極其輕松因?yàn)椴恍枰紤] Flash 擦除塊對(duì)齊的問題。第三在掉電保存場(chǎng)景里盡量用頁寫入而不是字節(jié)寫入。一頁寫完整參數(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)體放在同一頁并且最后一字節(jié)用一個(gè)“提交標(biāo)記”來區(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速度慢二來磨損大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 萬到 10 萬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)稱是無限次寫入至少從工程角度看你基本不用再評(píng)估“這個(gè)扇區(qū)還能寫幾次”這種問題。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)記錄來說是夠用的檔位。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)嵌入式里最常見的“控制器 掉電不丟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的需求。更適合誰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)寫入過程不能干擾主程序太長(zhǎng)時(shí)間。我接過一個(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)。后來換 MR25H40CDF同樣的代碼邏輯容量還比之前小但一年多跑下來沒有任何一次寫入異常。說白了MRAM 解決的不只是“硬件夠不夠好”的問題它把“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FRAM 也是無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 20 年抗輻射能力也強(qiáng)軍用和航天設(shè)備里 MRAM 是?？汀９I(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。PCB 布局上CS、SCK、SI、SO 這四根線盡量等長(zhǎng)走線不要穿過高噪聲區(qū)域比如繼電器驅(qū)動(dòng)電路、開關(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 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 8 厘米的杜邦線連接就已經(jīng)不可靠焊接在 PCB 上短走線則完全沒問題。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 倍頻但說實(shí)話在工業(yè)控制里沒必要追求極限。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 通信都是無效的。3.2 發(fā)送命令和讀寫頁數(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。3.3 頁寫入比單字節(jié)寫入更高效MR25H40CDF 支持頁寫入一頁 256 字節(jié)。實(shí)際項(xiàng)目中如果參數(shù)表、日志塊是以頁為單位組織的頁寫入能把通信開銷壓縮到最小。頁寫入的地址必須對(duì)齊頁邊界如果跨頁了命令會(huì)回卷到頁開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數(shù)據(jù)放一個(gè) 256 字節(jié)的 RAM 緩沖然后整頁下刷。void MRAM_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { if (len 256) len 256; // 檢查地址是否跨頁如果低 8 位加上長(zhǎng)度會(huì)超過 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保護(hù)這是從 Flash 時(shí)代繼承來的習(xí)慣MRAM 雖然不像 Flash 那樣有“跨頁回卷”的硬件缺陷但協(xié)議上依然是按頁來約束寫操作的。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 沒有寫壽命問題日志區(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”問題。在參數(shù)區(qū)開頭放一個(gè) 4 字節(jié)的魔數(shù)和版本號(hào)比如 0xA55A5AA5 開頭。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 沒有壽命問題那就在正常運(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。有人問怎么不用 CRC32對(duì) 8 位 MCU 來說 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。我改成按頁校驗(yàn)讀取哪頁就校驗(yàn)?zāi)捻撝辉谧x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)錄和常見問題速查表跑通并不代表穩(wěn)定穩(wěn)定是在現(xiàn)場(chǎng)磨出來的。這一節(jié)我把這些年用 MR25H40CDF 遇到過的典型問題整理出來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讀出來的數(shù)據(jù)就是字節(jié)位反轉(zhuǎn)的看起來特別像數(shù)據(jù)損壞。第四步查地址范圍超過 0x07FFFF 的地址直接無效。5.2 像“偶發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)位”這種幽靈問題我遇到過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。改板之后問題徹底消失。另一個(gè)類似問題是 HOLD 引腳懸空造成的前文已經(jīng)提過。這類問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 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決寫操作無響應(yīng)WP 引腳拉低且 BP 塊保護(hù)開啟寫前把 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)慣不是教科書里的是我在項(xiàng)目里被現(xiàn)場(chǎng)逼出來的。分享出來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 上做起來極其輕松因?yàn)椴恍枰紤] Flash 擦除塊對(duì)齊的問題。第三在掉電保存場(chǎng)景里盡量用頁寫入而不是字節(jié)寫入。一頁寫完整參數(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)體放在同一頁并且最后一字節(jié)用一個(gè)“提交標(biāo)記”來區(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)跑過一輪你才知道它到底有多省心。