Nuvoton M2L31把ReRAM請(qǐng)進(jìn)MCU存儲(chǔ)這件事該換思路了做嵌入式這些年大家早就習(xí)慣了“MCU Flash SRAM”這套固定搭配代碼燒進(jìn)去、掉電不丟、跑起來(lái)夠快就完事了。但最近新唐Nuvoton推出的M2L31系列微控制器把ReRAM也就是憶阻器做成了片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)這事值得好好聊聊。別一聽(tīng)“憶阻器”就覺(jué)得是實(shí)驗(yàn)室里的黑科技它現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)打?qū)嵉剡M(jìn)到量產(chǎn)MCU里了。這篇博文就結(jié)合我實(shí)際調(diào)試低功耗Arm MCU的經(jīng)驗(yàn)把這個(gè)芯片背后的技術(shù)邏輯、開(kāi)發(fā)時(shí)要注意的細(xì)節(jié)以及整個(gè)行業(yè)存儲(chǔ)方案的走向一次講清楚。不管是做IoT終端、可穿戴設(shè)備還是工業(yè)傳感器這篇內(nèi)容都能幫你少走彎路。1. 內(nèi)容整體設(shè)計(jì)與思路拆解1.1 ReRAM到底是什么憑什么進(jìn)MCU先花點(diǎn)時(shí)間把ReRAM的原理講明白因?yàn)楹竺嫠嘘P(guān)于M2L31的開(kāi)發(fā)決策其實(shí)都繞不開(kāi)這個(gè)存儲(chǔ)單元的物理特性。ReRAM的全稱是Resistive Random-Access Memory中文叫阻變式存儲(chǔ)器。它的核心存儲(chǔ)單元是一個(gè)金屬-絕緣體-金屬的三層結(jié)構(gòu)中間的絕緣介質(zhì)材料常見(jiàn)的有HfO?、TaO?等在施加不同極性的電壓后會(huì)在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間可逆切換。高阻態(tài)可以約定為邏輯“0”低阻態(tài)約定為邏輯“1”這樣就成了一個(gè)非易失存儲(chǔ)單元。這個(gè)機(jī)制在物理上叫“導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂”電場(chǎng)把氧空位排成一條細(xì)絲器件就導(dǎo)通反向電壓把細(xì)絲熔斷器件就恢復(fù)高阻。整個(gè)過(guò)程不需要像Flash那樣把電子注入浮柵或者從浮柵里拉出來(lái)所以ReRAM的寫(xiě)入速度天然就比Flash快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。那為什么現(xiàn)在才輪到它上MCU核心原因是Flash在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下面臨的物理極限越來(lái)越難突破。大家都清楚Flash存儲(chǔ)陣列要占額外的光罩層工藝每往下走一代浮柵器件的電荷保持能力、耦合比、編程干擾這些問(wèn)題就越難平衡。MCU現(xiàn)在主流停留在40nm、55nm甚至更老的節(jié)點(diǎn)很大一部分原因就是“邏輯電路想升級(jí)工藝但Flash不答應(yīng)”。ReRAM的優(yōu)勢(shì)在于它的存儲(chǔ)單元和CMOS邏輯工藝兼容性非常好不需要額外的浮柵結(jié)構(gòu)理論上可以在更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上和邏輯電路一起做出來(lái)。新唐把ReRAM做進(jìn)單片MCU里本質(zhì)上是在用這個(gè)技術(shù)特性換取更高的集成度、更快的寫(xiě)入速度和更低的工作電壓。另外要提一個(gè)很多人會(huì)忽略的指標(biāo)擦寫(xiě)粒度。Flash的最小擦除單位是一個(gè)扇區(qū)通常4KB你要改一個(gè)字節(jié)理論上要把整個(gè)扇區(qū)讀出來(lái)、擦掉、再寫(xiě)回去這個(gè)過(guò)程又慢又傷壽命。ReRAM沒(méi)有“擦除”這個(gè)前置動(dòng)作可以直接按字節(jié)或者按小頁(yè)覆寫(xiě)這對(duì)用MCU做數(shù)據(jù)記錄比如存?zhèn)鞲衅魅罩?、掉電保存參?shù)的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)體驗(yàn)是質(zhì)變級(jí)別的。1.2 為什么是新唐先量產(chǎn)M2L31的定位分析新唐這次把ReRAM MCU量產(chǎn)不是拍腦袋的決定。Nuvoton這幾年的產(chǎn)品線一直圍繞Arm Cortex-M系列深耕從M0、M4到M23、M33覆蓋了消費(fèi)電子到工業(yè)控制的大部分價(jià)位段。他們選擇在M2L31這個(gè)型號(hào)上首發(fā)ReRAM很顯然是經(jīng)過(guò)仔細(xì)考量的。從型號(hào)命名來(lái)看“M2”對(duì)應(yīng)Arm Cortex-M23內(nèi)核“L”代表低功耗Low Power“31”是產(chǎn)品序列號(hào)。M23核基于ARMv8-M架構(gòu)最大的特點(diǎn)是支持TrustZone安全擴(kuò)展同時(shí)把功耗控制做得非常細(xì)膩非常適合電池供電的IoT設(shè)備。新唐在一個(gè)“M23低功耗”的平臺(tái)上首發(fā)ReRAM邏輯上非常順低功耗設(shè)備對(duì)MCU的睡眠電流、喚醒時(shí)間、存儲(chǔ)寫(xiě)入功耗都有極致要求而ReRAM低電壓寫(xiě)入、無(wú)擦除延遲、掉電不丟的特性恰好能把這幾項(xiàng)全部拉滿。M2L31的具體配置從公開(kāi)資料來(lái)看它把ReRAM陣列直接集成在芯片內(nèi)部既當(dāng)程序存儲(chǔ)用也允許用戶把一部分容量劃成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這意味著以前“外掛EEPROM”或者“用Flash模擬EEPROM”的傳統(tǒng)做法在M2L31上可以直接砍掉一顆芯片就把主控和存儲(chǔ)都包圓了。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)BOM成本降低是其次布局面積縮小和故障點(diǎn)減少才是更實(shí)在的紅利。還有一個(gè)容易被忽視的定位考量可靠性。工業(yè)場(chǎng)景和車(chē)載場(chǎng)景對(duì)非易失存儲(chǔ)的寫(xiě)次數(shù)和極端溫度下的數(shù)據(jù)保持力有硬性要求傳統(tǒng)Flash在高溫下電荷泄漏是老大難問(wèn)題。ReRAM的導(dǎo)電細(xì)絲狀態(tài)和溫度的關(guān)系比浮柵電荷弱得多理論上在高溫環(huán)境下的數(shù)據(jù)保持力表現(xiàn)更好。新唐把首發(fā)型號(hào)定位在M23低功耗平臺(tái)說(shuō)明他們想先把“功耗”和“可靠性”這兩個(gè)標(biāo)簽打出去再往更高性能的M33/M55平臺(tái)擴(kuò)展。這個(gè)節(jié)奏和我接觸過(guò)的一些國(guó)產(chǎn)芯片廠商的做法很一致新技術(shù)先拿一個(gè)成熟內(nèi)核試水跑通供應(yīng)鏈和工具鏈再逐步鋪開(kāi)。1.3 用M2L31開(kāi)發(fā)的典型場(chǎng)景既然要聊實(shí)操就得先明確M2L31適合做什么。以我個(gè)人的理解它最典型的場(chǎng)景有這么幾類(lèi)第一類(lèi)是電池供電的低功耗傳感終端。比如智能門(mén)鎖、環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、電子標(biāo)簽這類(lèi)設(shè)備MCU大部分時(shí)間在睡眠偶爾醒來(lái)讀一下傳感器、存一筆數(shù)據(jù)、發(fā)一條無(wú)線報(bào)文。這類(lèi)設(shè)備最怕的就是“存數(shù)據(jù)的時(shí)候要把Flash整個(gè)扇區(qū)擦掉”不僅慢而且瞬時(shí)電流大經(jīng)常把電源電壓拉出毛刺。ReRAM的可字節(jié)覆寫(xiě)特性以及寫(xiě)入時(shí)低功耗特性能讓數(shù)據(jù)記錄過(guò)程變得更平滑。第二類(lèi)是配置參數(shù)頻繁更新的設(shè)備。有些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要頻繁修改運(yùn)行參數(shù)如果用帶Flash的普通MCU寫(xiě)參數(shù)的時(shí)候得小心翼翼地做磨損均衡算法復(fù)雜還容易出bug。M2L31這種ReRAM方案寫(xiě)壽命遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)EEPROM你可以把參數(shù)直接映射到固定地址每改一次直接覆寫(xiě)不用考慮擦除對(duì)壽命的影響代碼邏輯能簡(jiǎn)化一大截。第三類(lèi)是安全啟動(dòng)和密鑰存儲(chǔ)類(lèi)應(yīng)用。M23內(nèi)核帶TrustZone配合ReRAM的原生非易失特性可以把安全密鑰放在ReRAM的特定保護(hù)分區(qū)里。ReRAM的寫(xiě)入速度快也方便配合安全算法做臨時(shí)敏感數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。比如設(shè)備檢測(cè)到物理入侵要立刻擦除密鑰ReRAM的快速覆寫(xiě)能力能在極短時(shí)間內(nèi)完成銷(xiāo)毀動(dòng)作這是傳統(tǒng)Flash做不到的。2. 核心細(xì)節(jié)解析與實(shí)操要點(diǎn)2.1 存儲(chǔ)架構(gòu)變了代碼和數(shù)據(jù)的布局要重新想以前做MCU開(kāi)發(fā)代碼放在Flash里運(yùn)行時(shí)代碼可能拷貝到SRAM執(zhí)行尤其是做IAP升級(jí)或者低功耗模式的時(shí)候變量放SRAM配置數(shù)據(jù)模擬EEPROM放在Flash的某個(gè)扇區(qū)。到了M2L31上ReRAM既是程序存儲(chǔ)又是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)但要注意它的存儲(chǔ)特性還是和Flash有區(qū)別的不能直接照搬以前的做法。第一個(gè)區(qū)別是寫(xiě)入壽命。ReRAM的耐久性雖然比Flash好很多但也不是無(wú)限次寫(xiě)入。你依然要有“分區(qū)域管理”的概念程序區(qū)寫(xiě)一次基本就不再動(dòng)了數(shù)據(jù)區(qū)才是頻繁擦寫(xiě)的地方所以要合理劃分ReRAM容量別把日志類(lèi)的頻繁寫(xiě)入操作和程序代碼放在同一個(gè)物理區(qū)域。好在M2L31的ReRAM陣列支持區(qū)域劃分具體容量邊界在開(kāi)發(fā)環(huán)境的頭文件里可以配置。我的建議是先把程序區(qū)留足剩下的空間再作為數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)里再做環(huán)形緩沖而不是隨便找個(gè)地址就開(kāi)始寫(xiě)。第二個(gè)區(qū)別是寫(xiě)入速度。ReRAM的字節(jié)寫(xiě)時(shí)間遠(yuǎn)快于Flash扇區(qū)擦除編程的時(shí)間但快不代表你可以在中斷服務(wù)函數(shù)里直接寫(xiě)。因?yàn)镽eRAM寫(xiě)入過(guò)程還是需要一定的時(shí)序控制而且寫(xiě)入過(guò)程中如果被更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷可能會(huì)造成寫(xiě)時(shí)序異常最壞情況下會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。我見(jiàn)過(guò)不少同事第一次用新型非易失存儲(chǔ)時(shí)直接在ADC中斷里寫(xiě)日志結(jié)果偶發(fā)性數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。正確的做法是把待寫(xiě)數(shù)據(jù)放到SRAM緩沖區(qū)在主循環(huán)或者專門(mén)的任務(wù)里統(tǒng)一寫(xiě)入寫(xiě)之前關(guān)閉可嵌套中斷或者用互斥信號(hào)量保護(hù)。第三個(gè)區(qū)別是電源電壓。ReRAM寫(xiě)入時(shí)需要的內(nèi)部電壓通常由電荷泵提供和Flash類(lèi)似但峰值電流可能不同。如果你的系統(tǒng)是電池供電而且電池電壓已經(jīng)比較低寫(xiě)ReRAM的瞬間壓降可能導(dǎo)致掉電復(fù)位。實(shí)測(cè)下來(lái)最好在電路板上預(yù)留一個(gè)足夠容量的儲(chǔ)能電容或者在軟件上做“電壓監(jiān)測(cè)-寫(xiě)操作”的聯(lián)動(dòng)電壓低于閾值時(shí)延遲寫(xiě)入或暫停寫(xiě)入等電壓恢復(fù)再繼續(xù)。這個(gè)思路在傳統(tǒng)Flash方案里也有但ReRAM寫(xiě)入電流的波形不同需要實(shí)測(cè)確認(rèn)。2.2 Cortex-M23內(nèi)核調(diào)試與SWD接口細(xì)節(jié)M2L31的內(nèi)核是Cortex-M23在調(diào)試上有一個(gè)重要特性它和M3/M4/M33的調(diào)試組件不完全一樣。M23是ARMv8-M基線版本調(diào)試接口雖然還是SWDSerial Wire Debug但調(diào)試寄存器的布局有些差異。J-Link、DAP-Link這些主流調(diào)試器的新版本固件都支持M23不過(guò)用老版本調(diào)試器時(shí)可能識(shí)別不到這是第一個(gè)坑。SWD接口接線方面M2L31同樣只需要SWDIO、SWCLK、GND這三根線再加上可選的SWO。SWO在M23上不一定支持標(biāo)準(zhǔn)跟蹤輸出如果你需要實(shí)時(shí)跟蹤日志建議先查一下M2L31參考手冊(cè)里SWO是否映射到了ITM引腳。以我的經(jīng)驗(yàn)很多低功耗MCU的SWO引腳是復(fù)用其他功能的出廠默認(rèn)并不一定開(kāi)啟如果你在調(diào)試器里發(fā)現(xiàn)SWO沒(méi)有任何輸出先別懷疑硬件去翻一下引腳復(fù)用寄存器的默認(rèn)配置。另外M23內(nèi)核支持調(diào)試認(rèn)證Debug Authentication簡(jiǎn)單說(shuō)就是可以對(duì)調(diào)試口進(jìn)行安全鎖定。如果你在開(kāi)發(fā)過(guò)程中把調(diào)試口鎖了然后忘了密碼那芯片就只能通過(guò)全擦除或者特定解鎖序列恢復(fù)這個(gè)操作會(huì)連程序區(qū)一起清空。實(shí)際操作中我的建議是在開(kāi)發(fā)初期先不要使能調(diào)試口保護(hù)等所有代碼功能都驗(yàn)證完最后再做安全配置。不然中途想調(diào)bug結(jié)果調(diào)試口打不開(kāi)心態(tài)容易崩。M23還有一個(gè)特性叫“Execution Memory Protection”簡(jiǎn)稱EMP。它可以讓代碼區(qū)只能執(zhí)行不能讀或者不能同時(shí)讀寫(xiě)。這個(gè)特性在防固件提取方面很強(qiáng)但如果你調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出來(lái)全是0xFF可以考慮是不是EMP把讀訪問(wèn)擋掉了。排查思路是先把EMP配置全部關(guān)閉確認(rèn)功能正常再逐步加保護(hù)策略。2.3 ReRAM驅(qū)動(dòng)與初始化流程在M2L31上做底層驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)Flash驅(qū)動(dòng)有些區(qū)別。芯片出廠時(shí)ReRAM陣列一般是未編程狀態(tài)第一次上電需要先確認(rèn)存儲(chǔ)映射是否正常。一般流程是這樣第一步配置時(shí)鐘。ReRAM控制器掛在哪個(gè)總線時(shí)鐘域、是否需要使能讀寫(xiě)時(shí)鐘要先查數(shù)據(jù)手冊(cè)。如果時(shí)鐘沒(méi)開(kāi)對(duì)ReRAM地址的訪問(wèn)會(huì)直接觸發(fā)總線錯(cuò)誤HardFault。我踩過(guò)的坑是用Keil調(diào)試時(shí)程序跑飛了單步跟進(jìn)去發(fā)現(xiàn)是時(shí)鐘樹(shù)里某一位被默認(rèn)配置成關(guān)閉ReRAM地址空間訪問(wèn)直接總線錯(cuò)誤。第二步使能ReRAM控制器。有些MCU的ReRAM控制器默認(rèn)是禁用狀態(tài)需要往控制寄存器寫(xiě)解鎖序列才能啟用。解鎖序列的目的是防止軟件誤操作意外改變存儲(chǔ)區(qū)域的映射或保護(hù)屬性。千萬(wàn)別小看這一步驟如果使能順序不對(duì)后面所有讀寫(xiě)操作行為都是未定義的。第三步設(shè)置等待狀態(tài)和讀電流/寫(xiě)電流參數(shù)。ReRAM在不同電壓和溫度條件下可能需要不同的讀參考電流和寫(xiě)脈沖寬度。這些參數(shù)一般由廠家的初始化庫(kù)幫你配好但如果你跑在低電壓模式下可能需要手動(dòng)調(diào)一下。廠家的應(yīng)用筆記通常會(huì)給出不同電壓區(qū)間的推薦配置值。實(shí)際測(cè)試時(shí)跑一遍全地址讀寫(xiě)校驗(yàn)同時(shí)把供電電壓從高到低掃一遍能有效發(fā)現(xiàn)參數(shù)配置是否留有裕量。第四步劃分用戶數(shù)據(jù)區(qū)。通過(guò)配置寄存器把ReRAM陣列的一部分劃成用戶數(shù)據(jù)區(qū)。這個(gè)配置通常是一次性的建議在量產(chǎn)燒錄階段就固化好。不同區(qū)域的讀保護(hù)、寫(xiě)保護(hù)級(jí)別也要在初始化階段設(shè)置完成。3. 實(shí)操過(guò)程與核心環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建從Keil到命令行交叉編譯先用最熟悉的Keil MDK來(lái)說(shuō)。M2L31屬于新唐的Arm Cortex-M系列直接在Keil的Device Database里選型號(hào)然后選對(duì)應(yīng)的Flash Algorithm燒錄算法。如果Keil版本太舊新唐提供的Pack包可能裝不上建議先把MDK升級(jí)到5.37以上。裝好Pack之后創(chuàng)建一個(gè)新工程在Device選擇界面找到M2L31工程模板會(huì)自動(dòng)帶出正確的啟動(dòng)文件和分散加載文件sct文件。工程建好后有個(gè)重要配置Debug頁(yè)的Flash Download選項(xiàng)。因?yàn)镽eRAM的燒錄算法和Flash不一樣需要把新唐提供的M2L31燒錄算法后綴通常為.FLM添加到燒錄列表里。如果你發(fā)現(xiàn)下載程序時(shí)報(bào)錯(cuò)“No Flash Device”十有八九就是這個(gè)算法沒(méi)添加。另外燒錄算法里的編程時(shí)間參數(shù)ReRAM比Flash快不少你可以根據(jù)實(shí)際燒錄速度適當(dāng)調(diào)整不過(guò)保持默認(rèn)就行。也有不少朋友習(xí)慣命令行交叉編譯流程特別是要做自動(dòng)化構(gòu)建的。M2L31自然也可以用Arm GNU工具鏈arm-none-eabi-gcc來(lái)編譯。需要注意的是用GCC時(shí)鏈接腳本要手動(dòng)編寫(xiě)要針對(duì)M2L31的ReRAM起始地址和大小做匹配。以我用新唐MCU的經(jīng)驗(yàn)他們的BSP里通常會(huì)提供GCC版本的鏈接腳本示例文件。你自己寫(xiě)的時(shí)候要注意ReRAM的起始地址最好通過(guò)宏定義引用別寫(xiě)死因?yàn)椴煌吞?hào)芯片的ReRAM容量有區(qū)別。在Linux主機(jī)上做Arm交叉編譯時(shí)還要留意啟動(dòng)文件里的堆棧初始化。M23內(nèi)核上電后會(huì)從向量表偏移0處取棧頂指針MSP從偏移4處取復(fù)位向量。如果你的鏈接腳本把向量表放在ReRAM開(kāi)頭那么這兩個(gè)值必須正確。實(shí)際中遇到的情況是有人把向量表放到SRAM里然后忘了配置MPU允許SRAM執(zhí)行結(jié)果一上電就進(jìn)HardFault。排查這類(lèi)問(wèn)題最快的辦法是用調(diào)試器讀PC寄存器和SP寄存器的值如果PC的值落在SRAM區(qū)域而MPU不允許執(zhí)行直接就能判斷是向量表放置問(wèn)題。3.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電源樹(shù)評(píng)估M2L31的硬件設(shè)計(jì)第一優(yōu)先級(jí)是電源。芯片通常有多個(gè)電源域核心邏輯、IO、ReRAM控制器可能分別供電。ReRAM寫(xiě)入時(shí)內(nèi)部電荷泵會(huì)從主電源取電瞬時(shí)電流可能比Flash編程還平滑但還是要留意電源路徑上的阻抗。PCB設(shè)計(jì)時(shí)靠近芯片電源引腳放一個(gè)0.1μF的陶瓷電容外加一個(gè)1μF~10μF的體電容是穩(wěn)妥的做法。如果系統(tǒng)還有射頻模塊電源紋波控制要更嚴(yán)格建議用LDO單獨(dú)給MCU供電避免射頻PA的大電流波動(dòng)影響到ReRAM寫(xiě)入時(shí)序。復(fù)位電路也要單獨(dú)提一下。M2L31的復(fù)位引腳建議接一個(gè)100nF電容到地加快上電復(fù)位時(shí)間。如果你的系統(tǒng)有外部看門(mén)狗注意看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間和ReRAM寫(xiě)入時(shí)間要匹配。萬(wàn)一看門(mén)狗復(fù)位發(fā)生在ReRAM寫(xiě)入過(guò)程中可能出現(xiàn)寫(xiě)入不完整的情況。軟件上可以做一個(gè)“寫(xiě)入完成標(biāo)志”每次寫(xiě)ReRAM前先把目標(biāo)寫(xiě)入緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)備好再開(kāi)始寫(xiě)寫(xiě)完后在另一個(gè)固定的非易失地址置一個(gè)完成標(biāo)志位。上電初始化時(shí)先檢查這個(gè)標(biāo)志如果發(fā)現(xiàn)上次寫(xiě)操作沒(méi)完成就回滾到備份數(shù)據(jù)。這類(lèi)“先寫(xiě)數(shù)據(jù)、后寫(xiě)標(biāo)志”的事務(wù)性設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)記錄類(lèi)產(chǎn)品里很有用。3.3 第一個(gè)工程亮燈、按鍵存儲(chǔ)與回讀紙上談兵半天回到實(shí)際動(dòng)手。我一般拿到新開(kāi)發(fā)板先跑一個(gè)最簡(jiǎn)單的工程確認(rèn)芯片能跑起來(lái)、燒錄沒(méi)問(wèn)題然后再逐步驗(yàn)證外設(shè)和存儲(chǔ)特性。在M2L31上我先配置一個(gè)GPIO口驅(qū)動(dòng)LED再配置一個(gè)按鍵輸入然后做一個(gè)很基礎(chǔ)的功能按鍵每按一次把一個(gè)遞增計(jì)數(shù)器寫(xiě)入ReRAM用戶數(shù)據(jù)區(qū)同時(shí)LED翻轉(zhuǎn)一次。下次上電時(shí)從ReRAM讀出這個(gè)計(jì)數(shù)器顯示在串口上。這看起來(lái)簡(jiǎn)單但驗(yàn)證了“寫(xiě)入、保存、回讀”整條鏈路是把存儲(chǔ)方案跑通的關(guān)鍵第一步。#include NuMicro.h #define APP_DATA_ADDR 0x00010000 // 假設(shè)用戶數(shù)據(jù)區(qū)起始地址 volatile uint32_t g_counter 0; void WriteCounterToReRAM(uint32_t val) { uint32_t u32Addr APP_DATA_ADDR; uint32_t u32Data val; /* 解鎖ReRAM控制器寄存器 */ SYS_UnlockReg(); /* 關(guān)閉數(shù)據(jù)區(qū)緩存確保讀回的是物理存儲(chǔ)數(shù)值 */ ReRAM_DisableCache(); /* 直接按32位寫(xiě)入ReRAM支持字節(jié)/半字/字覆寫(xiě) */ ReRAM_Write(u32Addr, (uint32_t)u32Data, 4); /* 讀取校驗(yàn) */ volatile uint32_t chk *(volatile uint32_t *)u32Addr; if (chk ! val) { /* 寫(xiě)入校驗(yàn)失敗處理異常 */ } /* 重新鎖定寄存器 */ SYS_LockReg(); } int32_t main(void) { /* 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO示范代碼略 */ /* 上電讀取計(jì)數(shù)器 */ g_counter *(volatile uint32_t *)APP_DATA_ADDR; while (1) { if (按鍵按下) { g_counter; WriteCounterToReRAM(g_counter); LED翻轉(zhuǎn); } } }代碼里的WriteCounterToReRAM函數(shù)有幾個(gè)細(xì)節(jié)一是SYS_UnlockReg和SYS_LockReg的配對(duì)使用新唐的MCU對(duì)關(guān)鍵寄存器有寫(xiě)保護(hù)這也是防止誤操作的手段二是寫(xiě)入后立刻回讀校驗(yàn)確認(rèn)寫(xiě)入成功。因?yàn)镽eRAM寫(xiě)入比Flash快你可以每次寫(xiě)完后都做一次回讀而不必?fù)?dān)心性能損耗太嚴(yán)重。這里我想強(qiáng)調(diào)一個(gè)ReRAM和Flash不一樣的地方不需要先擦除。如果用傳統(tǒng)Flash按鍵每按一次就寫(xiě)一個(gè)32位計(jì)數(shù)器你首先得判斷當(dāng)前扇區(qū)是否全為0xFF也就是已經(jīng)被擦除過(guò)不是的話得先把舊數(shù)據(jù)讀出來(lái)、擦除整個(gè)扇區(qū)、再寫(xiě)回去。在ReRAM上直接按固定地址寫(xiě)就行大大簡(jiǎn)化了代碼。這也是為什么說(shuō)“開(kāi)發(fā)體驗(yàn)是質(zhì)變級(jí)別”的邏輯上的收益是很直接的。3.4 數(shù)據(jù)日志區(qū)的環(huán)形緩沖實(shí)現(xiàn)單計(jì)數(shù)器只是驗(yàn)證功能真正實(shí)用的是數(shù)據(jù)日志。傳感器節(jié)點(diǎn)要定期存儲(chǔ)一批數(shù)據(jù)比如溫度、濕度、電壓等。如果每次都往同一個(gè)地址寫(xiě)即使ReRAM壽命再長(zhǎng)也沒(méi)必要把磨損集中在一小塊區(qū)域。我建議在ReRAM數(shù)據(jù)區(qū)里做一個(gè)環(huán)形緩沖池固定長(zhǎng)度、順序?qū)懭?、滿則覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。具體做法是把數(shù)據(jù)區(qū)劃分為N個(gè)固定大小的槽位每個(gè)槽位大小按最長(zhǎng)的單條記錄設(shè)計(jì)再在頭部放一個(gè)索引區(qū)。每次寫(xiě)入時(shí)先讀索引區(qū)找到當(dāng)前寫(xiě)位置把數(shù)據(jù)寫(xiě)到對(duì)應(yīng)槽位然后更新索引。不需要像Flash那樣考慮“擦除對(duì)齊”因?yàn)镽eRAM可以先覆寫(xiě)。但是要注意索引區(qū)的更新也是寫(xiě)入操作如果寫(xiě)數(shù)據(jù)和寫(xiě)索引之間掉電可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。改進(jìn)辦法是索引區(qū)用雙備份先寫(xiě)“準(zhǔn)備更新”標(biāo)志再更新索引最后清掉“準(zhǔn)備更新”標(biāo)志上電恢復(fù)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)“準(zhǔn)備更新”標(biāo)志存在就知道上次更新被中斷可以回退到備份索引。我見(jiàn)過(guò)有人用ReRAM做得更絕把每次采集的數(shù)據(jù)直接追加在數(shù)據(jù)區(qū)后面用GCGarbage Collection方式定期整理相當(dāng)于把SSD那套FTL思想搬到MCU內(nèi)部。但M2L31的容量有限不建議做太復(fù)雜的FTL簡(jiǎn)單環(huán)形緩沖就夠了。重點(diǎn)還是讓寫(xiě)入操作盡可能均勻地分布在不同物理地址充分發(fā)揮ReRAM壽命優(yōu)勢(shì)。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 燒錄失敗或調(diào)試器無(wú)法識(shí)別這個(gè)問(wèn)題排在第一位。現(xiàn)象是J-Link/DAP-Link連接時(shí)能讀到內(nèi)核IDCODE但下載程序時(shí)報(bào)錯(cuò)或者干脆連接不上。原因無(wú)非幾種一是內(nèi)核電源沒(méi)上電二是SWDIO/SWCLK引腳被復(fù)用成GPIO且外部接了強(qiáng)下拉電阻三是調(diào)試口被安全鎖定。排查方法先量電源引腳電壓確認(rèn)供電正常再用調(diào)試器最低速度如100kHz連接排除信號(hào)質(zhì)量或線上干擾問(wèn)題如果引腳被復(fù)用先按住復(fù)位引腳同時(shí)點(diǎn)擊連接在復(fù)位釋放瞬間把調(diào)試器附著上去有些情況下能搶回控制權(quán)如果被安全鎖定只能走芯片的解鎖流程注意解鎖流程通常會(huì)把整個(gè)非易失存儲(chǔ)清空。所以開(kāi)發(fā)過(guò)程中我通常不開(kāi)調(diào)試口保護(hù)等最后測(cè)試安全功能時(shí)再開(kāi)。用Keil時(shí)我還遇到過(guò)一種情況連接調(diào)試器后調(diào)用Flash Download提示算法加載失敗。這種一般是FLM文件路徑出錯(cuò)或者設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件損壞重裝新唐的Pack包基本上能解決。另外如果用戶通過(guò)命令行工具如pyOCD下載先確認(rèn)pyOCD的target列表里包含M2L31沒(méi)有的話要更新到最新版本。4.2 ReRAM寫(xiě)入后數(shù)據(jù)不對(duì)或丟失寫(xiě)入后數(shù)據(jù)不對(duì)分兩種情況一種是寫(xiě)入校驗(yàn)立即失敗一種是當(dāng)前正常但掉電后下次上電讀出來(lái)是錯(cuò)的。立即失敗可能的原因有寫(xiě)保護(hù)未關(guān)閉目標(biāo)地址不對(duì)超出用戶數(shù)據(jù)區(qū)范圍或者寫(xiě)電流參數(shù)設(shè)置太小?？梢韵扔霉俜降臒浌ぞ呋蛘連SP里的測(cè)試?yán)虒?duì)目標(biāo)地址做一遍全0x55/0xAA交替寫(xiě)入測(cè)試確認(rèn)基礎(chǔ)功能沒(méi)問(wèn)題。如果全地址測(cè)試通過(guò)但用戶程序失敗重點(diǎn)檢查程序里是否誤配了ReRAM控制寄存器。掉電后丟失的問(wèn)題大概率是上電時(shí)序或者復(fù)位時(shí)序?qū)е聦?xiě)入中斷。用示波器抓一下VDD在寫(xiě)入期間的波形如果存在毛刺或跌落就要加強(qiáng)電源濾波。軟件上要給寫(xiě)入任務(wù)加事務(wù)標(biāo)志避免因復(fù)位導(dǎo)致半寫(xiě)狀態(tài)。另外ReRAM的數(shù)據(jù)保持力在高溫下會(huì)下降如果產(chǎn)品有高溫存儲(chǔ)要求建議做高溫老化數(shù)據(jù)保持測(cè)試不要只看常溫。4.3 低功耗模式下ReRAM訪問(wèn)異常低功耗是M2L31的大賣(mài)點(diǎn)之一但在低功耗模式下訪問(wèn)ReRAM要特別小心。芯片進(jìn)入深度睡眠后主時(shí)鐘可能關(guān)了ReRAM控制器的時(shí)鐘如果也被關(guān)了喚醒后直接讀ReRAM就會(huì)掛死。解決思路是在設(shè)計(jì)低功耗流程時(shí)把“讀ReRAM”放在喚醒后時(shí)鐘穩(wěn)定階段進(jìn)行或者把需要快速訪問(wèn)的數(shù)據(jù)提前拷到SRAM。另外M23內(nèi)核在低功耗模式下可能有不同的電源域配置如果某個(gè)電源域被關(guān)掉而ReRAM控制器依賴該電源域即使時(shí)鐘恢復(fù)控制器狀態(tài)也可能不正常。穩(wěn)妥做法是喚醒后重新初始化ReRAM控制器再執(zhí)行讀寫(xiě)操作。這個(gè)初始化流程很短不影響用戶體驗(yàn)但能避免很多偶發(fā)問(wèn)題。我在實(shí)際測(cè)試中就遇到過(guò)睡眠喚醒后第一次讀ReRAM返回全0重新初始化控制器后完全正常。4.4 快速排查速查表問(wèn)題現(xiàn)象可能原因排查與解決調(diào)試器連接不上/下載失敗電源異常、SWD被復(fù)用、調(diào)試鎖量電壓、低速連接、按住復(fù)位搶連、走解鎖流程程序運(yùn)行HardFaultReRAM時(shí)鐘未開(kāi)、MPU/EMP配置不當(dāng)檢查時(shí)鐘樹(shù)寄存器、暫時(shí)關(guān)閉MPU/EMP保護(hù)寫(xiě)入校驗(yàn)失敗寫(xiě)保護(hù)未關(guān)、地址越界、參數(shù)配置不當(dāng)解鎖寄存器、確認(rèn)地址范圍、參考AN重新配置掉電后數(shù)據(jù)丟失寫(xiě)入期間復(fù)位、電源毛刺用事務(wù)標(biāo)志、加強(qiáng)電源濾波、做寫(xiě)入完成標(biāo)志睡眠喚醒后讀數(shù)據(jù)異常ReRAM控制器電源/時(shí)鐘域異常喚醒后重新初始化ReRAM控制器高溫下數(shù)據(jù)變化數(shù)據(jù)保持力受溫度影響做高溫老化測(cè)試、檢查器件規(guī)格書(shū)的保持時(shí)間指標(biāo)4.5 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)別忽略“寫(xiě)后即讀”的價(jià)值最后分享一個(gè)關(guān)于可靠性的建議。不管用Flash還是ReRAM數(shù)據(jù)寫(xiě)完之后立刻回讀驗(yàn)證都是我極力推薦的做法。M2L31的寫(xiě)入速度快每次寫(xiě)后回讀的開(kāi)銷(xiāo)不大但能及時(shí)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題特別是當(dāng)你在不同溫度和電壓區(qū)間做測(cè)試時(shí)。回讀校驗(yàn)不需要做全數(shù)據(jù)比對(duì)簡(jiǎn)單讀回來(lái)比較關(guān)鍵字節(jié)就行。如果校驗(yàn)失敗可以做一次重寫(xiě)再失敗就報(bào)警。這個(gè)低成本的習(xí)慣能在產(chǎn)品處于開(kāi)發(fā)階段時(shí)救你很多次。5. 對(duì)ReRAM上MCU這件事的后續(xù)展望M2L31只是個(gè)開(kāi)始。新唐把ReRAM首先用在M23內(nèi)核的MCU上跑通了從晶圓制造、封裝測(cè)試到軟件開(kāi)發(fā)工具鏈的整個(gè)生態(tài)。接下來(lái)如果這項(xiàng)技術(shù)在市場(chǎng)上被驗(yàn)證可靠大概率會(huì)向更高性能的Cortex-M33/M55平臺(tái)延伸甚至可能在MCU里集成更大容量的ReRAM陣列直接對(duì)標(biāo)一些低容量Flash芯片。到那時(shí)候MCU的片上存儲(chǔ)體系會(huì)發(fā)生真正的范式轉(zhuǎn)變不再有“程序存儲(chǔ)”和“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的物理差別而是一整塊可快速隨機(jī)寫(xiě)入的非易失存儲(chǔ)空間讓開(kāi)發(fā)者用更簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)更可靠的功能。從開(kāi)發(fā)者的角度我對(duì)這項(xiàng)技術(shù)最大的感受是存儲(chǔ)管理的復(fù)雜度降低了。用Flash做EEPROM模擬、磨損均衡、扇區(qū)管理這些歷史包袱以后可能會(huì)慢慢變成少數(shù)工程師才需要懂的底層知識(shí)大多數(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者只需要像操作SRAM一樣操作非易失存儲(chǔ)。這背后既有硬件物理特性的功勞也得益于像新唐這樣的廠商愿意在第一線推動(dòng)新技術(shù)量產(chǎn)落地。如果你手上有電池供電、頻繁記錄數(shù)據(jù)、或者對(duì)寫(xiě)入延遲敏感的項(xiàng)目M2L31值得認(rèn)真評(píng)估一下。把傳統(tǒng)MCU方案里那些為了“伺候”Flash而寫(xiě)的各種別扭代碼簡(jiǎn)化掉你會(huì)發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)節(jié)奏快很多產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性也更有底氣。希望這篇內(nèi)容能讓你少踩一些調(diào)試上的坑后面有機(jī)會(huì)我也打算再寫(xiě)寫(xiě)M2L31在具體垂直場(chǎng)景比如智能門(mén)鎖、冷鏈記錄儀里的完整項(xiàng)目實(shí)踐。