www5168hscom15388803300MSP430FR系列MCU多功能双接口存储器设计

历史时期

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]。

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。

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:

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)；
• 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。