基于MSP430FR 系列MCU 的多功能双接口存储器设计 存储器, 嵌入式, FLASH, 接口

yuyang911220

[导读]摘要在许多嵌入式系统中通常会需要外接存储器保存数据，例如EEPROM。由于传统的存储器具有功能单一、接口固定、擦写次数有限的特点从而限制了存储器的应用场景和范围。本文介绍了一种基于TI 新一代MSP430FR 系列MCU
摘要
在许多嵌入式系统中通常会需要外接存储器保存数据，例如EEPROM。由于传统的存储器具有功能单一、接口固定、擦写次数有限的特点从而限制了存储器的应用场景和范围。
本文介绍了一种基于TI 新一代MSP430FR 系列MCU 来实现多功能双接口存储器的方法。相比传统存储器 (例如FLASH，SRAM，EEPOM)，FRAM集合了更多的优势，拥有更强大的功能。利用MCU 的灵活性，用户可以设计出功能强大，接口灵活的多功能存储器，用来替代传统嵌入式系统中的EEPROM和RTC 等功能。
1 前言
从2011 年起，TI(德州仪器)公司先后推出了近20 款带FRAM的MSP430 系列MCU – MSP430FRXX。与传统的MCU 相比，该系列MCU 采用新一代的FRAM替代了FLASH 和SRAM。由于FRAM具有读写时间快，使用寿命长，非易失性，功耗低，抗干扰力强等特点，可以用它来实现传统FLASH+SRAM+EEPROM 实现有困难，或功耗，速度，成本三者难以协调的应用。本文介绍的多功能双接口存储器方案，除了实现低功耗快速存储的功能外，还包括RTC，硬件看门狗，AES 数据加/解密，接口扩展等功能。
2 功能介绍
2.1 MSP430FRXX 系列
MCU简介
TI 公司最新一代MSP430FRXX系列MCU 采用了FRAM作为代码和数据存储器，替代传统MCUFLASH+SRAM 的结构，并且其FRAM带有分区管理和ECC 校验功能，增强存储器可靠性，FRAM运行时的低功耗特性，将MCU 的功耗降低至100uA/MHz。除了FRAM外与SCI/IIC/SPI/GPIO/ADC/CMP/TIMER 图2.1 MSP430FRxx 内部框图等普通外设外，其还增加了AES 硬件加解密模块，32 位硬件乘法器等，其余性能指标可详见[1]。

图2.1 MSP430FRxx 内部框图

2.2 FRAM 简介
FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 铁电存储器是新一代的非易失性高速低功耗存储器，和传统的FLASH/EEPROM 存储器相比FRAM具有非常明显的优势：
• 速度快-FRAM的写入时间比Flash/EEPROM快1000 倍以上， FRAM写入一个字节仅耗时50ns，而FLASH 至少耗时75us，EEPROM更是长达5ms。
• 功耗低-由于FRAM的工作电压只有1.5V，相比FLASH/EEPROM 存储器需要一个升压器把电压升到9-12V，操作FRAM的功耗仅有后者1%或者更低。
• 抗干扰力强-由于FRAM 工作仅需要很少的能量，故FRAM工作起来更加稳定，不会出现FLASH 存储器的“Data-tearing”现象。
• 耐久性强(读/写次数)-FRAM的读/写周期数为一百万亿次 (10E15) ，而通常的FLASH/ EEPROM 只有一百万次 (10E6) 。
2.3 MSP430FRXX 系列MCU中FRAM 管理器简介
为了能够充分发挥FRAM速度快，功耗低，掉电不易失，耐久性强的特点， MSP430FR5969 同时为其配置了同样强大的存储器管理单元。
MSP430FRXX 系列MCU 对FRAM的管理可分为两部分：MPU和FRAM controller。
MPU 是存储器保护单元，其可提供FRAM的分区配置和读/写/执行权限独立控制。如果发生越权读/写/执行，FRAM会受到保护，同时产生错误中断通知MCU，进行相应的操作。

图2.2 FRAM controller 与 MPU 结构图

FRAM控制器主要提供FRAM的操作方式管理，ECC 校验和Cache 功能。
ECC 校验可纠正1bit 的错误和检测2bit 以上的错误。 Cache 拥有2 个64bit 的缓冲区，当要处理的数据小于8 字节时，CPU 可直接操作Cache，提高系统效率。
2.4 多功能双接口存储器系统功能简介
本文以MSP430FR5969 为例，介绍如何设计多功能双接口的存储器，该存储器支持1 个I2C 接口，2 路SPI 接口，2KByte SRAM，AES 加/解密，硬件看门狗，RTC 等功能，两路SPI 可同时访问该存储器设备。

MSP430FR5969 的功能框图如下:

图2.3 MSP430FR5969 功能框图

利用MSP430FR5969 丰富的外设，强大的运算能力和FRAM的存储特点能设计出功能强大的多接口存储器，其特点包括：
• 64KByte FRAM 非易失性存储器 (代码大约占用8KByte FRAM空间);
ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ• 2KByte SRAM掉电不保存存储器 (程序占用大约1KByte SRAM);
• 支持一个I2C 接口访问，最大支持速率为100Kbps;
• 最大支持2 路SPI 接口同时访问;
• 支持8 路GPIO 扩展功能，提供上升/下降沿中断接口;
• 支持128-Bit、192-Bit、256-Bit 硬件AES 加密/解密模块;
• 独立的RTC 模块，提供实时时钟;
• 2 路看门狗定时器输出;
• 可编程电压检测器;
2.5 多功能双接口存储器系统典型应用简介
与传统的双接口存储器相比，使用MSP430FRXX 实现的双端口存储器不仅可实现非常高的数据吞吐率(最高到125Kbyte/s)，同时提供数据加密，增加其传输的安全性。存储器的擦写寿命也可从一般的十万次提高到一百万亿次，动态功耗也从2mA 左右下降到100uA 左右。

如下图所示，是双接口存储器应用的典型系统，使用MSP430FRXX 实现后，存储容量可从典型的2Kbyte 扩展到48Kbyte。同时除了实现外部的双端口存储器，还可以将加密芯片，外部RTC，外部WDT 等功能集成在一起实现，使系统结构更优化，更简洁。

图2.4 双接口存储器应用场景示意图

除了上文所述的典型双接口存储器应用之外，使用MSP430FRXX 系列MCU 设计的系统还可以同时提供替代存储，增强系统Watchdog，RTC，数据加密等功能。故本文同时发现在许多其他的应用中同样可以使用该方案，提高系统的集成度，优化系统的硬件设计，提高系统软件的灵活性。比如模块化的数据采集与发布系统，以及基于BLE 的快速数据传输系统。

正如下图所示，其是一个典型的模块化数据采集与发布系统。整个系统分为主控制板，前端数据采集或发布板，人机交互板和无线数据传输板组成。由于这种模式的应用(例如，工业现场多种探测器数据采集系统，分布式广播信息发布系统等)，有一个重要的特点，系统的功能配置需要根据实际环境的需要，能够灵活的调整模块种类，增减模块数量。故通常在工程上，会将其高度模块化，各个模块均用同一的串行总线(UART，IIC 或者SPI 等)进行通信。

图2.5 模块化的数据采集与发布系统

在主控板上，均需要多个串行接口的MCU(通常要求支持到8 个UART/IIC/SPI 及以上)，同时有数据加密的要求，外部RTC 支持，外部看门狗等，以及EEPROM存储自身和外接模块配置信息。此时便可以使用MSP430FR59XX 系列MCU+一颗拥有多串行接口的MCU 实现主控制板的功能，优化系统的设计。
在无线数据传输板上，其同样需要EEPROM存储模块配置信息的数据和数据加密功能，同时其一般要求有32KB-64KB 的缓存，由于内置RAM32KB-64KB 的MCU 通常在此板上性价比不高，通常会使用外扩RAM 或者FIFO 实现，现在也可通过使用MSP430FR59XX 系列MCU 将这四个功能进行整合，在提升系统功能的情况下，简化系统设计。
在人机交互板上，主要部分是LCD 及按键和LED 的控制支持，同时需要EEPROM存储模块信息数据。此时便可以使用MSP430FR57XX 系列MCU 简化系统的设计，而且FRAM可当做SRAM 使用的特性，还可以根据需求合理分配FRAM的数据/代码/存储等空间。
在前端数据采集或发布板上，因为其需要有经常性的数据擦写操作，故其需要的MCU 特点是代码量不大，但是临时数据量很大，故通常要求MCU 的FLASH 在32KB 左右，而RAM 需要16KB-23KB，在这种情况下，一般基于FLASH 的MCU 很难进行选型，此时MSP430FR59XX 系列MCU 可以非常好的解决这个问题，同时还可以省去外部存储模块信息的EEPROM。