MCU的非易失性存储器选择

在应用编程(IAP)应该是MCU使用过程中常见的一种功能，MCU厂商为了加速用户的产品开发，都会在其SDK中添加相关示例，而且也有不少用户只需要简单的集成，就完成了该功能并实现产品的量产。但你是否真的会在Flash上存数据？

首先我们需要从片内和片外存储谈起，MCU内部的非易失性存储器绝大多数都是基于FLASH的（也有少部分是EEPROM的，比如NXP LPC80x系列），MCU外部的非易失性存储器可以有FLASH，EEPROM，其中EEPROM比较常见的是I2C接口，FLASH有NAND, NOR, SPI NOR等等。

实际应用过程中，我们到底应该怎么选择呢？需要存储的数据量大小是首要问题，我们可以根据它来大致设定规则

1. 当数据量大于128MB时，NAND FLASH或者SD(TF)卡是常见的选择，但考虑到NAND FLASH会有坏块的问题，编写存储软件时需要考虑磨损均衡已经坏块管理的问题，想要做的非常可靠并不容易。

2. 当数据量小于128MB，大于2MB时，可以选择NOR FLASH或EEPROM，EEPROM技术上的优势是耐久性好，可以反复多次编程，最高可达100W次的擦写循环，NOR FLASH相比EEPROM容量会更大，平均成本更好，但是寿命会少个0，最大只能到10W次的擦写循环。

   EEPROM(AT24C02)

   

   FLASH(IS25WP032)

   

3. 当数据量小于2MB时，就可以考虑将其放入MCU内部的FLASH中，一旦决定把数据放MCU内部FLASH时，就面临两个问题：

   (1)MCU片内FLASH承诺的寿命更短，一般可能是1~5W次，好像也有几百次的，鉴于大佬已经停线，这里就不点名了。关于这个参数切记要参考手册，不同厂家的参数不一样，同一厂家的不同系列也可能有差异

   NXP Kinetis系列MCU

   

   STM32 F103xx

   

   (2) 擦写过程可能需要关闭中断，虽然这个不是必须的，但除非MCU的Datasheet明确有写支持，绝大多数MCU都是有这方面的要求，并且IAP编程的函数需要运行于RAM或ROM中，因为擦写过程中，如果MCU没有特殊的设计(比如下图NXP Kinetis　K64系列带有双Block flash是可以支持WWR)，该过程是无法进行取指的，关中断的目的是防止外部中断触发运行于FLASH上的ISR，如果用户不希望关中断，则必须要将可能发生中断的函数Relocate到RAM中

   

   //RAM中执行的编程函数
   static status_t flash_command_sequence(flash_config_t *config)
   {
       uint8_t registerValue;
   
   __set_PRIMASK(1);
   
   #if FLASH_DRIVER_IS_FLASH_RESIDENT
       /* clear RDCOLERR & ACCERR & FPVIOL flag in flash status register */
       FTFx->FSTAT = FTFx_FSTAT_RDCOLERR_MASK | FTFx_FSTAT_ACCERR_MASK | FTFx_FSTAT_FPVIOL_MASK;
   
       status_t returnCode = flash_check_execute_in_ram_function_info(config);
       if (kStatus_FLASH_Success != returnCode)
       {
       __set_PRIMASK(0);
           return returnCode;
       }
   
       /* We pass the ftfx_fstat address as a parameter to flash_run_comamnd() instead of using
        * pre-processed MICRO sentences or operating global variable in flash_run_comamnd()
        * to make sure that flash_run_command() will be compiled into position-independent code (PIC). */
       callFlashRunCommand((FTFx_REG8_ACCESS_TYPE)(&FTFx->FSTAT));
   __set_PRIMASK(0);
   #else
       /* clear RDCOLERR & ACCERR & FPVIOL flag in flash status register */
       FTFx->FSTAT = FTFx_FSTAT_RDCOLERR_MASK | FTFx_FSTAT_ACCERR_MASK | FTFx_FSTAT_FPVIOL_MASK;
   
       /* clear CCIF bit */
       FTFx->FSTAT = FTFx_FSTAT_CCIF_MASK;
   
       /* Check CCIF bit of the flash status register, wait till it is set.
        * IP team indicates that this loop will always complete. */
       while (!(FTFx->FSTAT & FTFx_FSTAT_CCIF_MASK))
       {
       }
   #endif /* FLASH_DRIVER_IS_FLASH_RESIDENT */
   
       /* Check error bits */
       /* Get flash status register value */
       registerValue = FTFx->FSTAT;
   
       /* checking access error */
       if (registerValue & FTFx_FSTAT_ACCERR_MASK)
       {
       __set_PRIMASK(0);
           return kStatus_FLASH_AccessError;
       }
       /* checking protection error */
       else if (registerValue & FTFx_FSTAT_FPVIOL_MASK)
       {
       __set_PRIMASK(0);
           return kStatus_FLASH_ProtectionViolation;
       }
       /* checking MGSTAT0 non-correctable error */
       else if (registerValue & FTFx_FSTAT_MGSTAT0_MASK)
       {
       __set_PRIMASK(0);
           return kStatus_FLASH_CommandFailure;
       }
       else
       {
       __set_PRIMASK(0);
           return kStatus_FLASH_Success;
       }
   }
   

   (3) 擦写时间对系统的影响，之前讲过擦写过程是不能执行FLASH code的，所以势必会让系统pending住，而这个pending时间可以在Datasheet中寻找答案，一般擦除是按照sector/block大小来的，编程时按照word或者page大小来的，擦除时间一般更长，对系统影响更大。用户需要考虑的是系统是否可以接受每个控制周期，等待1个擦除最小单位的编程时间，这是由于有可能需要编程的数据比较大，如果同一时间更新势必会影响到控制周期，但如果把擦写任务分配到每个控制周期，就可以将影响降低到最小，以NXP　Ｋｉｎｅｔｉｓ，擦除一个Sｅｃｔｏｒ典型值是１４ｍｓ，每次写入Lｏｎｇｗｏｒｄ（8字节）所需要的时间是６５ｕｓ，当需要升级的时候，在接收到升级命令的第一帧处理时，增加ｓｅｃｔｏｒ删除命令，本次运算周期会增加１４ｍｓ的ｐｅｎｄｉｎｇ时间，然后每周期编程８字节数据。如果系统需要将数据存在内部ｆｌａｓｈ上，就必须接受某一个周期增加１４ｍｓ的ｐｅｎｄｉｎｇ，随着ｆｌａｓｈ写入次数的增多，１４ｍｓ还会增大到１１４ｍｓ

   

在确定了上述问题之后就可以完成存储设备的选型，但软件处理还需要注意以下几个要点，这些问题MCU厂家一般是不会提供解决方案的，需要用户根据自己的需求来完成：

1. 冗余备份：有些时候用户需要更新正在使用的参数/固件，考虑到更新失败的情况下，需要支持参数/固件版本回退，所以需要两片备份区进行冗余备份。

   

2. Magic number or 校验码：Magic number一般就是在FLASH编程结束时候，写一个位数较高的（64bit）值到固定地址，使用加载数据时，先判断Magic number是否正确，以此判断编程过程是否完整，切记Magic number要在编程时先擦后写（第一个擦，最后一个写），否则无法起到验证效果。这种验证方式比较初级，对于可靠性要求更高的场合，一般会使用校验码的方式（CRC或者MD5），特别是参数文件通过通信的方式传输到MCU中，虽然通信过程可能也有校验（比如Modbus RTU的CRC），但是无法保证数据在RAM缓冲区不发生位翻转的情况，大多数MCU都不支持ECC功能，在这种情况下是无法纠错的，如果对端设备会将文件的校验码发过来进行校验，就可以避免该问题的发生，虽然RAM出现位翻转的概率非常低，但是如果发生位翻转的参数是设备的保护点或者PWM死区值，一旦出现错误，就可能会发生设备故障或损毁，甚至出现安全事故。

   

3. 编程过程掉电或复位：在编程的过程中出现掉电或者复位是经常出现的一种异常情况。比如震动导致电源接触不良，或者系统异常导致看门狗无法喂狗都有可能出现，还有使用POE电源对端设备直接断电都有可能造成这种异常。所以一定要考虑在这种情况下的异常处理，比如上电加载数据的时候，如果校验失败，可以使用一组安全数据或者更新前的数据。对于带操作系统的应用，建议硬件添加系统掉电检测电路，在检测到掉电事件（如24V掉电）发生时，如果当前没有写入Flash，则lock住写入进程，如果当前正在写入Flash，则立即调用sync函数，尽快将数据从缓存写入Flash（硬件上MCU VDD加个稍微大点的电容，多扛一段时间），不要等待系统后台写入。

   

4. 二次编程：有些MCU内部的Flash是带有校验机制的，对于同一地址在擦除完成后，只能进行一次编程，如果进行二次编程写入不同数值进去，可能会除非校验失败，导致该地址无法正常读写。

总结，这里列了一个表格，当需要IAP的时候，可以根据所选芯片的参数判断是否满足自身系统的需求（下表已经填入示例数据）：

NVM	擦除编程最小单元	擦除编程所用时间	擦除编程寿命	编程过程是否需要关中断	编程数据的校验	编程过程中掉电/复位
EEPROM	不需要擦，可以按字节或者Page写入	写周期5ms	1000000	不需要	软件添加	软件添加
NOR FLASH	Sector = 4K, 最小写入Page = 256B	Sector擦70ms，Page写0.2ms	100000	不需要	软件添加	软件添加
MCU FLASH	Sector = 2KB, 最小写入8Byte	Sector擦14ms，写65us	50000	需要	软件添加	软件添加

　　审核编辑：汤梓红