基于MSP430FR 系列MCU 的多功能雙接口存儲器設(shè)計

摘要

在許多嵌入式系統(tǒng)中通常會需要外接存儲器保存數(shù)據(jù)，例如EEPROM。由于傳統(tǒng)的存儲器具有功能單一、接口固定、擦寫次數(shù)有限的特點從而限制了存儲器的應(yīng)用場景和范圍。

本文介紹了一種基于TI 新一代MSP430FR 系列MCU 來實現(xiàn)多功能雙接口存儲器的方法。相比傳統(tǒng)存儲器 (例如FLASH，SRAM，EEPOM)，F(xiàn)RAM集合了更多的優(yōu)勢，擁有更強大的功能。利用MCU 的靈活性，用戶可以設(shè)計出功能強大，接口靈活的多功能存儲器，用來替代傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中的EEPROM和RTC 等功能。

1 前言

從2011 年起，TI(德州儀器)公司先后推出了近20 款帶FRAM的MSP430 系列MCU – MSP430FRXX。與傳統(tǒng)的MCU 相比，該系列MCU 采用新一代的FRAM替代了FLASH 和SRAM。由于FRAM具有讀寫時間快，使用壽命長，非易失性，功耗低，抗干擾力強等特點，可以用它來實現(xiàn)傳統(tǒng)FLASH+SRAM+EEPROM 實現(xiàn)有困難，或功耗，速度，成本三者難以協(xié)調(diào)的應(yīng)用。本文介紹的多功能雙接口存儲器方案，除了實現(xiàn)低功耗快速存儲的功能外，還包括RTC，硬件看門狗，AES 數(shù)據(jù)加/解密，接口擴展等功能。

2 功能介紹

2.1 MSP430FRXX 系列

MCU簡介

TI 公司最新一代MSP430FRXX系列MCU 采用了FRAM作為代碼和數(shù)據(jù)存儲器，替代傳統(tǒng)MCUFLASH+SRAM 的結(jié)構(gòu)，并且其FRAM帶有分區(qū)管理和ECC 校驗功能，增強存儲器可靠性，F(xiàn)RAM運行時的低功耗特性，將MCU 的功耗降低至100uA/MHz。除了FRAM外與SCI/IIC/SPI/GPIO/ADC/CMP/TIMER 圖2.1 MSP430FRxx 內(nèi)部框圖等普通外設(shè)外，其還增加了AES 硬件加解密模塊，32 位硬件乘法器等，其余性能指標(biāo)可詳見[1]。

圖2.1 MSP430FRxx 內(nèi)部框圖

2.2 FRAM 簡介

FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 鐵電存儲器是新一代的非易失性高速低功耗存儲器，和傳統(tǒng)的FLASH/EEPROM 存儲器相比FRAM具有非常明顯的優(yōu)勢：

• 速度快-FRAM的寫入時間比Flash/EEPROM快1000 倍以上， FRAM寫入一個字節(jié)僅耗時50ns，而FLASH 至少耗時75us，EEPROM更是長達(dá)5ms。

• 功耗低-由于FRAM的工作電壓只有1.5V，相比FLASH/EEPROM 存儲器需要一個升壓器把電壓升到9-12V，操作FRAM的功耗僅有后者1%或者更低。

• 抗干擾力強-由于FRAM 工作僅需要很少的能量，故FRAM工作起來更加穩(wěn)定，不會出現(xiàn)FLASH 存儲器的“Data-tearing”現(xiàn)象。

• 耐久性強(讀/寫次數(shù))-FRAM的讀/寫周期數(shù)為一百萬億次 (10E15) ，而通常的FLASH/ EEPROM 只有一百萬次 (10E6) 。

2.3 MSP430FRXX 系列MCU中FRAM 管理器簡介

為了能夠充分發(fā)揮FRAM速度快，功耗低，掉電不易失，耐久性強的特點， MSP430FR5969 同時為其配置了同樣強大的存儲器管理單元。

MSP430FRXX 系列MCU 對FRAM的管理可分為兩部分：MPU和FRAM controller。

MPU 是存儲器保護單元，其可提供FRAM的分區(qū)配置和讀/寫/執(zhí)行權(quán)限獨立控制。如果發(fā)生越權(quán)讀/寫/執(zhí)行，F(xiàn)RAM會受到保護，同時產(chǎn)生錯誤中斷通知MCU，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖2.2 FRAM controller 與 MPU 結(jié)構(gòu)圖

FRAM控制器主要提供FRAM的操作方式管理，ECC 校驗和Cache 功能。

ECC 校驗可糾正1bit 的錯誤和檢測2bit 以上的錯誤。 Cache 擁有2 個64bit 的緩沖區(qū)，當(dāng)要處理的數(shù)據(jù)小于8 字節(jié)時，CPU 可直接操作Cache，提高系統(tǒng)效率。

2.4 多功能雙接口存儲器系統(tǒng)功能簡介

本文以MSP430FR5969 為例，介紹如何設(shè)計多功能雙接口的存儲器，該存儲器支持1 個I2C 接口，2 路SPI 接口，2KByte SRAM，AES 加/解密，硬件看門狗，RTC 等功能，兩路SPI 可同時訪問該存儲器設(shè)備。

MSP430FR5969 的功能框圖如下:

圖2.3 MSP430FR5969 功能框圖

利用MSP430FR5969 豐富的外設(shè)，強大的運算能力和FRAM的存儲特點能設(shè)計出功能強大的多接口存儲器，其特點包括：

• 64KByte FRAM 非易失性存儲器 (代碼大約占用8KByte FRAM空間);

ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ• 2KByte SRAM掉電不保存存儲器 (程序占用大約1KByte SRAM);

• 支持一個I2C 接口訪問，最大支持速率為100Kbps;

• 最大支持2 路SPI 接口同時訪問;

• 支持8 路GPIO 擴展功能，提供上升/下降沿中斷接口;

• 支持128-Bit、192-Bit、256-Bit 硬件AES 加密/解密模塊;

• 獨立的RTC 模塊，提供實時時鐘;

• 2 路看門狗定時器輸出;

• 可編程電壓檢測器;

2.5 多功能雙接口存儲器系統(tǒng)典型應(yīng)用簡介

與傳統(tǒng)的雙接口存儲器相比，使用MSP430FRXX 實現(xiàn)的雙端口存儲器不僅可實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高到125Kbyte/s)，同時提供數(shù)據(jù)加密，增加其傳輸?shù)陌踩?。存儲器的擦寫壽命也可從一般的十萬次提高到一百萬億次，動態(tài)功耗也從2mA 左右下降到100uA 左右。

如下圖所示，是雙接口存儲器應(yīng)用的典型系統(tǒng)，使用MSP430FRXX 實現(xiàn)后，存儲容量可從典型的2Kbyte 擴展到48Kbyte。同時除了實現(xiàn)外部的雙端口存儲器，還可以將加密芯片，外部RTC，外部WDT 等功能集成在一起實現(xiàn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，更簡潔。

圖2.4 雙接口存儲器應(yīng)用場景示意圖

除了上文所述的典型雙接口存儲器應(yīng)用之外，使用MSP430FRXX 系列MCU 設(shè)計的系統(tǒng)還可以同時提供替代存儲，增強系統(tǒng)Watchdog，RTC，數(shù)據(jù)加密等功能。故本文同時發(fā)現(xiàn)在許多其他的應(yīng)用中同樣可以使用該方案，提高系統(tǒng)的集成度，優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)軟件的靈活性。比如模塊化的數(shù)據(jù)采集與發(fā)布系統(tǒng)，以及基于BLE 的快速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

正如下圖所示，其是一個典型的模塊化數(shù)據(jù)采集與發(fā)布系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為主控制板，前端數(shù)據(jù)采集或發(fā)布板，人機交互板和無線數(shù)據(jù)傳輸板組成。由于這種模式的應(yīng)用(例如，工業(yè)現(xiàn)場多種探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分布式廣播信息發(fā)布系統(tǒng)等)，有一個重要的特點，系統(tǒng)的功能配置需要根據(jù)實際環(huán)境的需要，能夠靈活的調(diào)整模塊種類，增減模塊數(shù)量。故通常在工程上，會將其高度模塊化，各個模塊均用同一的串行總線(UART，IIC 或者SPI 等)進(jìn)行通信。

圖2.5 模塊化的數(shù)據(jù)采集與發(fā)布系統(tǒng)

在主控板上，均需要多個串行接口的MCU(通常要求支持到8 個UART/IIC/SPI 及以上)，同時有數(shù)據(jù)加密的要求，外部RTC 支持，外部看門狗等，以及EEPROM存儲自身和外接模塊配置信息。此時便可以使用MSP430FR59XX 系列MCU+一顆擁有多串行接口的MCU 實現(xiàn)主控制板的功能，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計。

在無線數(shù)據(jù)傳輸板上，其同樣需要EEPROM存儲模塊配置信息的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)加密功能，同時其一般要求有32KB-64KB 的緩存，由于內(nèi)置RAM32KB-64KB 的MCU 通常在此板上性價比不高，通常會使用外擴RAM 或者FIFO 實現(xiàn)，現(xiàn)在也可通過使用MSP430FR59XX 系列MCU 將這四個功能進(jìn)行整合，在提升系統(tǒng)功能的情況下，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

在人機交互板上，主要部分是LCD 及按鍵和LED 的控制支持，同時需要EEPROM存儲模塊信息數(shù)據(jù)。此時便可以使用MSP430FR57XX 系列MCU 簡化系統(tǒng)的設(shè)計，而且FRAM可當(dāng)做SRAM 使用的特性，還可以根據(jù)需求合理分配FRAM的數(shù)據(jù)/代碼/存儲等空間。

在前端數(shù)據(jù)采集或發(fā)布板上，因為其需要有經(jīng)常性的數(shù)據(jù)擦寫操作，故其需要的MCU 特點是代碼量不大，但是臨時數(shù)據(jù)量很大，故通常要求MCU 的FLASH 在32KB 左右，而RAM 需要16KB-23KB，在這種情況下，一般基于FLASH 的MCU 很難進(jìn)行選型，此時MSP430FR59XX 系列MCU 可以非常好的解決這個問題，同時還可以省去外部存儲模塊信息的EEPROM。

通過優(yōu)化后的系統(tǒng)框圖如下圖所示，可以看出使用MSP430FRXX 系列MCU 后，系統(tǒng)的硬件設(shè)計得到了優(yōu)化，同時面對小FLASH，大RAM這樣的MCU 選型難題時，獲得了很好的解決;再有就是MSP430FRXX 系列MCU 自帶的功能強大的RTC，數(shù)據(jù)加解密，WDT 等功能也提到了系統(tǒng)的集成度和性能。

圖2.6 MSP430FRXX 系列MCU 模塊化的數(shù)據(jù)采集與發(fā)布系統(tǒng)中的應(yīng)用

再例如在如下所示的BLE 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量較大時，要選擇一顆RAM 非常大的MCU，通常性價比不高。故通常會用到雙接口的存儲器，這樣可以選擇數(shù)據(jù)處理性能更好的MCU 加一個外接的存儲器實現(xiàn)。如果使用MSP430FR59XX，則可以實現(xiàn)存儲的功能外，還可以同時實現(xiàn)RTC 與外部WDT，提高系統(tǒng)的可靠性。特別是對于需要數(shù)據(jù)加密的要求時，可以不修改系統(tǒng)硬件，直接實現(xiàn)。

圖2.7 BLE 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

綜上可知，MSP430FRXX 系列MCU 設(shè)計的多功能雙接口存儲器，可廣泛的應(yīng)用在有快速數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)常性數(shù)據(jù)擦寫，以及數(shù)據(jù)加密要求的應(yīng)用中。其不僅可發(fā)揮FRAM速度快已配置的特點，還可給系統(tǒng)帶來RTC，外部看門狗，數(shù)據(jù)加解密等功能。其為系統(tǒng)提供了強大的數(shù)據(jù)存儲吞吐能力，優(yōu)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，增強了系統(tǒng)擴展功能，解決了小FLASH，大RAM 的MCU 選型等問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框圖

基于MSP430FR6969 MCU 設(shè)計多功能雙接口存儲器的系統(tǒng)框圖如下:

圖3.1 基于MSP430FR5969 的多功能存儲器系統(tǒng)框圖

• 配置內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)工作在8MHz 最高主頻，為MCLK，SMCLK 分別提供8MHz 的時鐘源;

• 配置eUSCI_A0，eUSCI_A1 分別工作在SPI 接口從模式，采用MCLK 作為時鐘源，最大支持1Mbps 的通信速率;

• 配置eUSCI_B0 工作為I2C 接口從模式，7-BIT 地址，MCLK 時鐘源，最大支持100Kbps 的通信速率

• 配置2 個DMA 通道從FRAM存儲器傳輸數(shù)據(jù)到eUSCI_A0 和eUSCI_A1，實現(xiàn)SPI 接口的數(shù)據(jù)的接收，無需CPU 參與;

• 配置1 個DMA 通道從FRAM存儲器傳輸數(shù)據(jù)到eUSCI_B0，實現(xiàn)I2C 接口的數(shù)據(jù)的接收，無需CPU 參與;

• Port3 配置為GPIO 擴展端口，支持上升/下降沿中斷;

• 使能硬件AES 加密模塊，實現(xiàn)AES 加密/解密功能;

• 使能TIMERA0 工作在連續(xù)模式，利用CCP0 和CCP1 實現(xiàn)2 路WDT 定時器輸出;

• 使能ADC 模塊，配置TIMERA1 工作在定時器模式觸發(fā)ADC 采樣，實現(xiàn)電壓檢測功能，最大支持2 個電壓點的檢測;

• 使能RTC 模塊，實現(xiàn)RTC 功能。

3.2 管腳定義

按照3.1 的功能規(guī)劃，選擇40QFN 封裝的MSP430FR5969，可對其管腳分配如下。

• 圖3.2 MSP430FR5969 引腳分配

3.3 存儲器分配

MSP430FR5969 片上支持64Kbytes 的FRAM存儲器，其尋址范圍為:

0x4400~0x13FFF; 由于MSP430 的復(fù)位地址為0xFFFF, 故該地址和中斷向量表

把存儲器分為兩部分： 0x4400~0xFF7F, 0x1000~0x13FFF。

在本文的設(shè)計中按照下表來分配FRAM存儲器：

根據(jù)上表的存儲器空間規(guī)劃可得出存儲器分配圖，如下圖所示：

圖3.3 MSP430FR5969 FRAM 存儲器分配

MSP430FR5969 的SRAM 存儲器容量共有2kBytes，其尋址空間為0x1C00-0x23FF，劃分出1K 作為AES 加密/解密模塊使用，具體的RAM 空間劃分如下：

具體的SRAM 空間功能劃分如下圖所示：

圖3.4 MSP430FR5969 SRAM 存儲器分配

3.4 功能模塊配置

MSP430FR5969 實現(xiàn)的多功能雙接口存儲器的各個功能都可以進(jìn)行使能和配置，其配置參數(shù)保留在0xF800~0xFF7F 功能模塊配置區(qū)。配置寄存器規(guī)劃如下表：

3.5 系統(tǒng)配置寄存器

功能模塊使能寄存器：FUNCITON_EN，基地址0xF800，偏移地址0x0000。該寄存器用來定義本設(shè)備使能的功能模塊，共16BIT,低8BIT 表示功能模塊的使能/關(guān)閉。

3.6 I2C 接口說明

系統(tǒng)支持1 路I2C 接口訪問。I2C 接口數(shù)據(jù)格式為7BIT 地址，8BIT 數(shù)據(jù)，START 信號后的一個字節(jié)是設(shè)備地址，后兩字節(jié)為寄存器地址。該接口參照I2C 總線的讀寫操作規(guī)范設(shè)計，最高支持100Kbps 的通信速率。

設(shè)備共有4 個7 位I2C 設(shè)備地址，分別對應(yīng)4 個不同的功能模塊，如下表所示：

各功能模塊的寄存器描述詳見各功能模塊的介紹，I2C 設(shè)備地址可根據(jù)需

要按照I2C 協(xié)議規(guī)范規(guī)定的器件地址規(guī)則更改。

3.7 SPI 接口說明

系統(tǒng)支持最多2 個SPI 接口同時訪問，接口SPI0 初始化為開啟，接口SPI1可由用戶開啟或者關(guān)閉。

SPI 接口由9 個基本命令字進(jìn)行操作控制，這9 個基本命令字可以通過SPI總線控制系統(tǒng)。SPI 模式為CS 下降沿啟動，MOSI/MISO 上升沿采集，MSB。則MOSI 引腳上數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)為命令字，后續(xù)字節(jié)為數(shù)據(jù)。

命令字的長度為一個字節(jié)，根據(jù)其意義與操作不同，后續(xù)會有跟隨地址字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)和偽字節(jié)。所有的傳輸必須在CS 引腳的上升沿之前完成，所有的讀命令都可以在任意時鐘位完成，所有的寫、編程、擦除命令在一個字節(jié)的邊界后才完成，否則命令將不起作用。當(dāng)芯片正在被編程、擦除或?qū)懭霠顟B(tài)寄存器的時候，除了“讀狀態(tài)”命令，其它所有的指令都會被忽略直到擦寫周期完成。SPI 操作狀態(tài)寄存器S7~S0 指示當(dāng)前SPI 操作的狀態(tài)，用戶可以通過讀/寫狀態(tài)命令來訪問該寄存器。

4 功能模塊設(shè)計

4.1 鐵電(FRAM)存儲器

在本系統(tǒng)中，將MSP430FR5969 片上FRAM存儲器地址的

0x6400~0xE3FF 共32Kbytes 范圍設(shè)計成專用的FRAM存儲器。將該段存儲器分成8 個頁面，每個頁面4Kbytes。主機可以通過I2C 或SPI 訪問這個區(qū)域的存儲器。

4.2 RTC 模塊

4.2.1 功能描述

RTC 模塊實現(xiàn)實時時鐘、日歷功能，其提供一個可編程的時鐘輸出，一個中斷輸出。具體功能如下：

• BCD 格式輸出秒、分、時、星期、月、年;

• 支持512HZ，256HZ 兩種可編程輸出頻率;

•支持校準(zhǔn)邏輯，按照+4-PPM 或-2-PPM 的步長進(jìn)行精度校準(zhǔn)。

4.2.2 RTC 模塊寄存器描述

RTC 模塊有16 個8 位寄存器，一個可自動增量的地址寄存器。所有16 個

寄存器設(shè)計成可尋址的8 位并行寄存器，但不是所有位都有用。當(dāng)一個RTC 寄

存器被讀時，所有計數(shù)器的內(nèi)容將被鎖存，在傳送條件下，可以防止對時鐘/日

歷數(shù)據(jù)的誤操作。RTC 模塊寄存器說明見下表：(基地址 : 0xE400)

4.3 AES 加密模塊

數(shù)據(jù)加密是存儲應(yīng)用系統(tǒng)的重要功能，可一定程度保護數(shù)據(jù)在存儲和傳輸中的安全，但是由于一般加密功能都需要大量的加法，乘法，移位的數(shù)學(xué)和邏輯運算，會給系統(tǒng)帶來巨大的性能和功耗挑戰(zhàn)。MSP430FR5969 自帶的硬件AES 模塊則解決了功能與功耗的矛盾，通過硬件方式，在不增加CPU 負(fù)擔(dān)的情況下，有硬件實現(xiàn)速度更快，并且降低系統(tǒng)的功耗。

MSP430FR5969 的AES 加密模塊可提供128BIT 數(shù)據(jù)的128BIT，192BIT 或者256BIT 長度的密鑰加密和解密(FIPS PUB 197 標(biāo)準(zhǔn))。其加/解密性能如下表：

4.3.1 AES 加密/解密模塊寄存器列表(基地址 : 0xF400)

4.3.2 AES 加密/解密模塊控制寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.4 電壓檢測器模塊

本設(shè)備通過MSP430FR5969 內(nèi)部12BIT 高精度ADC 實現(xiàn)電壓檢測功能，

TIMER1 用來定時觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換，并根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的報警引腳。本設(shè)

計中最大支持兩路電壓檢測。

4.4.1 電壓檢測模塊寄存器描述(基地址 : 0xF000)

4.4.2 電壓檢測模塊控制寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.4.3 電壓檢測模塊電壓門限寄存器 VTRIPNX(16Bit)

4.5 WDT模塊

本系統(tǒng)利用MSP430FR5969 的TIMERA0 實現(xiàn)一個外部看門狗功能。支持最大兩個看門狗輸出。 本設(shè)計中采用片上 VLO(10KHz)作為TIMERA0 的時鐘源，設(shè)置TIMERA0 工作在連續(xù)模式，用戶設(shè)置WDT0_VALx 來配置看門狗的周期。當(dāng)TIMERA0 計數(shù)值到達(dá)WDT0_VALx 時，設(shè)置對應(yīng)的看門狗輸出管腳。用戶向看門狗控制寄存器的寫入CLR1 和CLR0 位會清除對應(yīng)的看門狗計數(shù)器。

4.5.1 看門狗模塊寄存器描述(基地址 : 0xEC00)

4.5.2 看門狗模塊控制寄存器(偏移地址 : 0x00)

4.5.3 看門狗溢出周期寄存器 WDTN_VAL(32Bit)

5 軟件設(shè)計

基于MSP430 FRAM系列MCU 實現(xiàn)多接口存儲器的軟件設(shè)計分為兩部分

進(jìn)行，軟件流程設(shè)計和代碼實現(xiàn)。

5.1 軟件流程圖

根據(jù)上文所述的系統(tǒng)功能規(guī)劃和詳細(xì)設(shè)計，以及軟件流程圖，可以容易實現(xiàn)系統(tǒng)功能，故實現(xiàn)的C 代碼在本文中就不詳細(xì)描述。若對本文所述的方案和內(nèi)容感興趣，請聯(lián)系德州儀器半導(dǎo)體獲得進(jìn)一步支持。