您的位置 首页 电路

根据MSP430FR 系列MCU 的多功能双接口存储器规划

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

摘要

在许多嵌入式体系中一般会需求外接存储器保存数据,例如EEPROM。因为传统的存储器具有功用单一、接口固定、擦写次数有限的特色然后约束了存储器的运用场景和规模。

本文介绍了一种依据TI 新一代MSP430FR 系列MCU 来完结多功用双接口存储器的办法。比较传统存储器 (例如FLASH,SRAM,EEPOM),FRAM调集了更多的优势,具有更强壮的功用。运用MCU 的灵敏性,用户能够规划出功用强壮,接口灵敏的多功用存储器,用来代替传统嵌入式体系中的EEPROM和RTC 等功用。

1 前语

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MCUMSP430FRXX。与传统的MCU 比较,该系列MCU 选用新一代的FRAM代替了FLASH 和SRAM。因为FRAM具有读写时刻快,运用寿数长,非易失性,功耗低,抗干扰力强等特色,能够用它来完结传统FLASH+SRAM+EEPROM 完结有困难,或功耗,速度,本钱三者难以和谐的运用。本文介绍的多功用双接口存储器计划,除了完结低功耗快速存储的功用外,还包含RTC,硬件看门狗,AES 数据加/解密,接口扩展等功用。

2 功用介绍

2.1 MSP430FRXX 系列

MCU简介

TI 公司最新一代MSP430FRXX系列MCU 选用了FRAM作为代码和数据存储器,代替传统MCUFLASH+SRAM 的结构,而且其FRAM带有分区办理和ECC 校验功用,增强存储器可靠性,FRAM运行时的低功耗特性,将MCU 的功耗下降至100uA/MHz。除了FRAM外与SCI/IIC/SPI/GPIO/ADC/CMP/TIMER 图2.1 MSP430FRxx 内部框图等一般外设外,其还添加了AES 硬件加解密模块,32 位硬件乘法器等,其他功用指标可详见[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 存储器比较FRAM具有十分显着的优势:

• 速度快-FRAM的写入时刻比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-因为FRAM的作业电压只要1.5V,比较FLASH/EEPROM 存储器需求一个升压器把电压升到9-12V,操作FRAM的功耗仅有后者1%或许更低。

• 抗干扰力强-因为FRAM 作业仅需求很少的能量,故FRAM作业起来愈加安稳,不会呈现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) ,而一般的FLASH/ EEPROM 只要一百万次 (10E6) 。

2.3 MSP430FRXX 系列MCU中FRAM 办理器简介

为了能够充分发挥FRAM速度快,功耗低,掉电不易失,耐久性强的特色, MSP430FR5969 一起为其装备了相同强壮的存储器办理单元。

MSP430FRXX 系列MCU 对FRAM的办理可分为两部分:MPU和FRAM controller。

MPU 是存储器维护单元,其可供给FRAM的分区装备和读/写/履行权限独立操控。假如发生越权读/写/履行,FRAM会遭到维护,一起发生过错中止告诉MCU,进行相应的操作。

图2.2 FRAM controller 与 MPU 结构图

FRAM操控器首要供给FRAM的操作方法办理,ECC 校验和Cache 功用。

ECC 校验可纠正1bit 的过错和检测2bit 以上的过错。 Cache 具有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,进步体系功率。

2.4 多功用双接口存储器体系功用简介

本文以MSP430FR5969 为例,介绍怎么规划多功用双接口的存储器,该存储器支撑1 个I2C 接口,2 路SPI 接口,2KByte SRAM,AES 加/解密,硬件看门狗,RTC 等功用,两路SPI 可一起拜访该存储器设备。

MSP430FR5969 的功用框图如下:

图2.3 MSP430FR5969 功用框图

运用MSP430FR5969 丰厚的外设,强壮的运算才能和FRAM的存储特色能规划出功用强壮的多接口存储器,其特色包含:

• 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);

• 支撑一个I2C 接口拜访,最大支撑速率为100Kbps;

• 最大支撑2 路SPI 接口一起拜访;

• 支撑8 路GPIO 扩展功用,供给上升/下降沿中止接口;

• 支撑128-Bit、192-Bit、256-Bit 硬件AES 加密/解密模块;

• 独立的RTC 模块,供给实时时钟;

• 2 路看门狗守时器输出;

• 可编程电压检测器;

2.5 多功用双接口存储器体系典型运用简介

与传统的双接口存储器比较,运用MSP430FRXX 完结的双端口存储器不只可完结十分高的数据吞吐率(最高到125Kbyte/s),一起供给数据加密,添加其传输的安全性。存储器的擦写寿数也可从一般的十万次进步到一百万亿次,动态功耗也从2mA 左右下降到100uA 左右。

如下图所示,是双接口存储器运用的典型体系,运用MSP430FRXX 完结后,存储容量可从典型的2Kbyte 扩展到48Kbyte。一起除了完结外部的双端口存储器,还能够将加密芯片,外部RTC,外部WDT 等功用集成在一起完结,使体系结构更优化,更简练。

图2.4 双接口存储器运用场景示意图

除了上文所述的典型双接口存储器运用之外,运用MSP430FRXX 系列MCU 规划的体系还能够一起供给代替存储,增强体系Watchdog,RTC,数据加密等功用。故本文一起发现在许多其他的运用中相同能够运用该计划,进步体系的集成度,优化体系的硬件规划,进步体系软件的灵敏性。比方模块化的数据收集与发布体系,以及依据BLE 的快速数据传输体系。

正如下图所示,其是一个典型的模块化数据收集与发布体系。整个体系分为主操控板,前端数据收集或发布板,人机交互板和无线数据传输板组成。因为这种形式的运用(例如,工业现场多种探测器数据收集体系,分布式播送信息发布体系等),有一个重要的特色,体系的功用装备需求依据实践环境的需求,能够灵敏的调整模块品种,增减模块数量。故一般在工程上,会将其高度模块化,各个模块均用同一的串行总线(UART,IIC 或许SPI 等)进行通讯。

图2.5 模块化的数据收集与发布体系

在主控板上,均需求多个串行接口的MCU(一般要求支撑到8 个UART/IIC/SPI 及以上),一起有数据加密的要求,外部RTC 支撑,外部看门狗等,以及EEPROM存储本身和外接模块装备信息。此刻便能够运用MSP430FR59XX 系列MCU+一颗具有多串行接口的MCU 完结主操控板的功用,优化体系的规划。

在无线数据传输板上,其相同需求EEPROM存储模块装备信息的数据和数据加密功用,一起其一般要求有32KB-64KB 的缓存,因为内置RAM32KB-64KB 的MCU 一般在此板上性价比不高,一般会运用外扩RAM 或许FIFO 完结,现在也可经过运用MSP430FR59XX 系列MCU 将这四个功用进行整合,在进步体系功用的情况下,简化体系规划。

在人机交互板上,首要部分是LCD 及按键和LED 的操控支撑,一起需求EEPROM存储模块信息数据。此刻便能够运用MSP430FR57XX 系列MCU 简化体系的规划,而且FRAM可作为SRAM 运用的特性,还能够依据需求合理分配FRAM的数据/代码/存储等空间。

在前端数据收集或发布板上,因为其需求有经常性的数据擦写操作,故其需求的MCU 特色是代码量不大,可是暂时数据量很大,故一般要求MCU 的FLASH 在32KB 左右,而RAM 需求16KB-23KB,在这种情况下,一般依据FLASH 的MCU 很难进行选型,此刻MSP430FR59XX 系列MCU 能够十分好的处理这个问题,一起还能够省去外部存储模块信息的EEPROM。

经过优化后的体系框图如下图所示,能够看出运用MSP430FRXX 系列MCU 后,体系的硬件规划得到了优化,一起面临小FLASH,大RAM这样的MCU 选型难题时,取得了很好的处理;再有便是MSP430FRXX 系列MCU 自带的功用强壮的RTC,数据加解密,WDT 等功用也提到了体系的集成度和功用。

图2.6 MSP430FRXX 系列MCU 模块化的数据收集与发布体系中的运用

再例如在如下所示的BLE 数据传输体系中,当数据传输量较大时,要挑选一颗RAM 十分大的MCU,一般性价比不高。故一般会用到双接口的存储器,这样能够挑选数据处理功用更好的MCU 加一个外接的存储器完结。假如运用MSP430FR59XX,则能够完结存储的功用外,还能够一起完结RTC 与外部WDT,进步体系的可靠性。特别是关于需求数据加密的要求时,能够不修正体系硬件,直接完结。

图2.7 BLE 无线数据传输体系

综上可知,MSP430FRXX 系列MCU 规划的多功用双接口存储器,可广泛的运用在有快速数据传输,经常性数据擦写,以及数据加密要求的运用中。其不只可发挥FRAM速度快已装备的特色,还可给体系带来RTC,外部看门狗,数据加解密等功用。其为体系供给了强壮的数据存储吞吐才能,优化了体系硬件规划,增强了体系扩展功用,处理了小FLASH,大RAM 的MCU 选型等问题。

3 体系规划

3.1 体系框图

依据MSP430FR6969 MCU 规划多功用双接口存储器的体系框图如下:

图3.1 依据MSP430FR5969 的多功用存储器体系框图

• 装备内部数字振荡器(DCO)作业在8MHz 最高主频,为MCLK,SMCLK 别离供给8MHz 的时钟源;

• 装备eUSCI_A0,eUSCI_A1 别离作业在SPI 接口从形式,选用MCLK 作为时钟源,最大支撑1Mbps 的通讯速率;

• 装备eUSCI_B0 作业为I2C 接口从形式,7-BIT 地址,MCLK 时钟源,最大支撑100Kbps 的通讯速率

• 装备2 个DMA 通道从FRAM存储器传输数据到eUSCI_A0 和eUSCI_A1,完结SPI 接口的数据的接纳,无需CPU 参加;

• 装备1 个DMA 通道从FRAM存储器传输数据到eUSCI_B0,完结I2C 接口的数据的接纳,无需CPU 参加;

• Port3 装备为GPIO 扩展端口,支撑上升/下降沿中止;

• 使能硬件AES 加密模块,完结AES 加密/解密功用;

• 使能TIMERA0 作业在接连形式,运用CCP0 和CCP1 完结2 路WDT 守时器输出;

• 使能ADC 模块,装备TIMERA1 作业在守时器形式触发ADC 采样,完结电压检测功用,最大支撑2 个电压点的检测;

• 使能RTC 模块,完结RTC 功用。

3.2 管脚界说

依照3.1 的功用规划,挑选40QFN 封装的MSP430FR5969,可对其管脚分配如下。

• 图3.2 MSP430FR5969 引脚分配

3.3 存储器分配

MSP430FR5969 片上支撑64Kbytes 的FRAM存储器,其寻址规模为:

0x4400~0x13FFF; 因为MSP430 的复位地址为0xFFFF, 故该地址和中止向量表

把存储器分为两部分: 0x4400~0xFF7F, 0x1000~0x13FFF。

在本文的规划中依照下表来分配FRAM存储器:

依据上表的存储器空间规划可得出存储器分配图,如下图所示:

图3.3 MSP430FR5969 FRAM 存储器分配

MSP430FR5969 的SRAM 存储器容量共有2kBytes,其寻址空间为0x1C00-0x23FF,区分出1K 作为AES 加密/解密模块运用,具体的RAM 空间区分如下:

具体的SRAM 空间功用区分如下图所示:

图3.4 MSP430FR5969 SRAM 存储器分配

3.4 功用模块装备

MSP430FR5969 完结的多功用双接口存储器的各个功用都能够进行使能和装备,其装备参数保留在0xF800~0xFF7F 功用模块装备区。装备寄存器规划如下表:

3.5 体系装备寄存器

功用模块使能寄存器:FUNCITON_EN,基地址0xF800,偏移地址0x0000。该寄存器用来界说本设备使能的功用模块,共16BIT,低8BIT 表明功用模块的使能/封闭。

3.6 I2C 接口阐明

体系支撑1 路I2C 接口拜访。I2C 接口数据格局为7BIT 地址,8BIT 数据,START 信号后的一个字节是设备地址,后两字节为寄存器地址。该接口参照I2C 总线的读写操作规范规划,最高支撑100Kbps 的通讯速率。

设备共有4 个7 位I2C 设备地址,别离对应4 个不同的功用模块,如下表所示:

各功用模块的寄存器描绘详见各功用模块的介绍,I2C 设备地址可依据需

要依照I2C 协议规范规矩的器材地址规矩更改。

3.7 SPI 接口阐明

体系支撑最多2 个SPI 接口一起拜访,接口SPI0 初始化为敞开,接口SPI1可由用户敞开或许封闭。

SPI 接口由9 个根本指令字进行操作操控,这9 个根本指令字能够经过SPI总线操控体系。SPI 形式为CS 下降沿发动,MOSI/MISO 上升沿收集,MSB。则MOSI 引脚上数据的第一个字节为指令字,后续字节为数据。

指令字的长度为一个字节,依据其含义与操作不同,后续会有跟从地址字节,数据字节和伪字节。一切的传输必须在CS 引脚的上升沿之前完结,一切的读指令都能够在恣意时钟位完结,一切的写、编程、擦除指令在一个字节的鸿沟后才完结,不然指令将不起作用。当芯片正在被编程、擦除或写入状况寄存器的时分,除了“读状况”指令,其它一切的指令都会被疏忽直到擦写周期完结。SPI 操作状况寄存器S7~S0 指示当时SPI 操作的状况,用户能够经过读/写状况指令来拜访该寄存器。

4 功用模块规划

4.1 铁电(FRAM)存储器

在本体系中,将MSP430FR5969 片上FRAM存储器地址的

0x6400~0xE3FF 共32Kbytes 规模规划成专用的FRAM存储器。将该段存储器分红8 个页面,每个页面4Kbytes。主机能够经过I2C 或SPI 拜访这个区域的存储器。

4.2 RTC 模块

4.2.1 功用描绘

RTC 模块完结实时时钟、日历功用,其供给一个可编程的时钟输出,一个中止输出。具体功用如下:

• BCD 格局输出秒、分、时、星期、月、年;

• 支撑512HZ,256HZ 两种可编程输出频率;

•支撑校准逻辑,依照+4-PPM 或-2-PPM 的步长进行精度校准。

4.2.2 RTC 模块寄存器描绘

RTC 模块有16 个8 位寄存器,一个可主动增量的地址寄存器。一切16 个

寄存器规划成可寻址的8 位并行寄存器,但不是一切位都有用。当一个RTC 寄

存器被读时,一切计数器的内容将被锁存,在传送条件下,能够避免对时钟/日

历数据的误操作。RTC 模块寄存器阐明见下表:(基地址 : 0xE400)

4.3 AES 加密模块

数据加密是存储运用体系的重要功用,可必定程度维护数据在存储和传输中的安全,可是因为一般加密功用都需求很多的加法,乘法,移位的数学和逻辑运算,会给体系带来巨大的功用和功耗应战。MSP430FR5969 自带的硬件AES 模块则处理了功用与功耗的对立,经过硬件方法,在不添加CPU 担负的情况下,有硬件完结速度更快,而且下降体系的功耗。

MSP430FR5969 的AES 加密模块可供给128BIT 数据的128BIT,192BIT 或许256BIT 长度的密钥加密和解密(FIPS PUB 197 规范)。其加/解密功用如下表:

4.3.1 AES 加密/解密模块寄存器列表(基地址 : 0xF400)

4.3.2 AES 加密/解密模块操控寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.4 电压检测器模块

本设备经过MSP430FR5969 内部12BIT 高精度ADC 完结电压检测功用,

TIMER1 用来守时触发ADC 转化,并依据转化成果设置相应的报警引脚。本设

计中最大支撑两路电压检测。

4.4.1 电压检测模块寄存器描绘(基地址 : 0xF000)

4.4.2 电压检测模块操控寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.4.3 电压检测模块电压门限寄存器 VTRIPNX(16Bit)

4.5 WDT模块

本体系运用MSP430FR5969 的TIMERA0 完结一个外部看门狗功用。支撑最大两个看门狗输出。 本规划中选用片上 VLO(10KHz)作为TIMERA0 的时钟源,设置TIMERA0 作业在接连形式,用户设置WDT0_VALx 来装备看门狗的周期。当TIMERA0 计数值抵达WDT0_VALx 时,设置对应的看门狗输出管脚。用户向看门狗操控寄存器的写入CLR1 和CLR0 位会铲除对应的看门狗计数器。

4.5.1 看门狗模块寄存器描绘(基地址 : 0xEC00)

4.5.2 看门狗模块操控寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.5.3 看门狗溢出周期寄存器 WDTN_VAL(32Bit)

5 软件规划

依据MSP430 FRAM系列MCU 完结多接口存储器的软件规区分为两部分

进行,软件流程规划和代码完结。

5.1 软件流程图

依据上文所述的体系功用规划和具体规划,以及软件流程图,能够简单完结体系功用,故完结的C 代码在本文中就不具体描绘。若对本文所述的计划和内容感兴趣,请联络德州仪器半导体取得进一步支撑。

声明:本文内容来自网络转载或用户投稿,文章版权归原作者和原出处所有。文中观点,不代表本站立场。若有侵权请联系本站删除(kf@86ic.com)https://www.86ic.net/fangan/dianlu/136426.html

为您推荐

联系我们

联系我们

在线咨询: QQ交谈

邮箱: kf@86ic.com

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

返回顶部