Flash擦写操作导致USART接收丢数据的话题

融创 · 发表于 2017-3-29 13:33:42

问题：

该问题由客户提出，发生在STM32F103VDT6器件上。据客户工程师讲述,在其产品设计中使用了STM32片上Flash模拟了EEPROM的功能，用于存贮数据。在软件调试时，发现开启此功能，会影响到USART通信，导致偶尔发生个别数据接收不到的现象。

调研：

检查其软件代码，发现其中对Flash上数据的更新操作分为如下几个步骤：

1. 保存Flash页上的数到RAM中；

2. 擦除Flash页；

3. 修改RAM中的数据；

4. 将RAM中的数据写回Flash页上；

对照STM32的数据手册，查找到相关的数据：

1. 字写入时间 40uS ~ 70uS;

2. 页擦除时间40mS;

检查软件代码，找到对USART的设置：

1. 波特率115200BPS；

2. 帧格式为1 个起始位，8个数据位，2个停止位；

检查软件代码，发现其对USART的接收数据采用中断的方式进行读取。

结论：

通过计算，USART的每个帧的传输时间为：

该时间大于Flash的字写入时间，小于Flash的页擦除时间。所以，在Flash页擦除期间有可能发生多次字节帧的传输。而在此其间，由于Flash接口不可用，CPU不能取指令，导致中断得不到及时响应，从而发生接收到的数据未及时读走而被覆盖的现象。

处理：

在内存中建立循环缓冲区，开启DMA 通道。一旦USART 有数据收到，DMA 负责将其传输至循环缓冲区中。软件定期检测循环缓冲区中是否有接收到的数据，如果有则加以处理。

建议：

在只有一个Flash 模块的STM32 中，CPU对 Flash 接口的使用具有独占性。该接口不能同时进行多个操作，比如，在写操作的同时进行读取操作，或在擦除操作的同时进行读取操作，即便读、写操作的地址不同，或者所读数据不在被擦除的页上也不行。因此，当程序运行在Flash 上情况下，在对Flash 进行写入、擦除操作时，往往会因为CPU 取不到指令而造成程序执行的停顿。这一现象会引发系统对外部事件响应上的不及时，必须采取相应的措施加以避免。

通常，对于通信接收数据这类事件，可以使用DMA 进行辅助，避免数据被覆盖。对于外部中断、定时事件等必须要软件及时响应的事件来说，可以将中断向量表转移到 RAM 中，同时将中断服务程存放在 RAM 中执行。CPU 的VTOR 寄存器用来存放中断向量表的偏移地址，修改该寄存器的值，可以改变中断向量表在内存空间中存放的地址，详见Cortex-M3 的技术参考手册。

在IAR 开发工具下，定义一个在RAM 中执行的函数，可以使用其扩展关键字__ramfunc，举例如下：

__ramfunc void EXTI9_5_IRQHandler(void)

{

If (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line9)!=RESET)

{ /*clearthe EXTI line9 pending bit*/

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9);

……

}

在Keil MDK 中，可以将相关的中断服务程序单独放在一个“.c”文件中，然后通过修改scatter 文件来实现在RAM中执行，例如中断服务程序放在“exti9.c”中：

LD_ROM 0x8000000 0x10000

{

EX_ROM 0x08000000 0x10000

{

Startup.o(RESET,+FIRST)

ANY(+RO)

}

EX_RAM 0x20000000

{

exti9.o(+RO) ;将中断服务函数放在RAM中

}

RW_RAM +O

{

startup.o(STACK,+ZI)

.ANY(+RW,+ZI).

}

话题延伸：

我们再从另一角度来思考和探讨该问题，抛砖引玉吧。

显然，导致程序发生执行停顿的一个关键原因是对Flash 进行了写或者擦除操作。如果再排除这一原因，也就不会发生程序执行停顿了。所以，要解决这一问题，可以将数据暂存在RAM 当中，而不是每次修改后都立刻更新Flash。可以考虑利用STM32 的PVD 功能监控电源电压，发现有掉电倾向立刻启动写Flash 操作，将RAM中暂存的数据写到Flash 中。这样，在整个STM32 运行期间，只有到了最后时刻才对Flash进行了写操作，而这时也不需要再响应什么事件了（也没时间响应了）。这是一个不错的思路，当然，很多细节需要仔细斟酌。

首先，为节约这最后的每一微秒时间，Flash页面的擦除要提前完成。若将这一操作放在STM32 开始监控各种事情以后自然不妥，因为同样会造成事件响应不及时。看来，最佳时间段只有系统初始化阶段了。

其次，在擦除Flash 期间发生掉电要如何处置？这时，备份在RAM 中的数据会来不及写回Flash 而丢失。为了避免这一情况的发生，可以使用双页交替存贮的方式（传说中的乒乓操作）保存数据。两个Flash 页上分别存有两个版本的数据，一新一旧，并在最后附有版本号及校验和。系统初始化时，选择的旧版本页面或无效页面进行擦除。这样，既便此时发生掉电，也无须向Flash 写回备份数据，因为最新数据仍在Flash中。而每次向Flash 更新数据时，都以更新的版本号进行标注，原来的新本数据自然的变成了旧版本。

再次，为了尽量延长最后的可用于写Flash 的时间，尽量降低系统功耗是非常有必要的。关掉PLL，直接使用OSC 送来的时钟作为系统时钟，可以明显的降低功耗。关掉所有外设的时钟可以进一步降低系统的功耗。根据片外电路的特性，调整I/O 的输出状还能进一步降低系统功耗。

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