Flash擦寫操作導致USART接收丟數(shù)據(jù)的話題

小融一號

問題：

該問題由客戶提出，發(fā)生在STM32F103VDT6器件上。據(jù)客戶工程師講述,在其產(chǎn)品設計中使用了STM32片上Flash模擬了EEPROM的功能，用于存貯數(shù)據(jù)。在軟件調試時，發(fā)現(xiàn)開啟此功能，會影響到USART通信，導致偶爾發(fā)生個別數(shù)據(jù)接收不到的現(xiàn)象。

調研：

檢查其軟件代碼，發(fā)現(xiàn)其中對Flash上數(shù)據(jù)的更新操作分為如下幾個步驟：

1. 保存Flash頁上的數(shù)到RAM中；

2. 擦除Flash頁；

3. 修改RAM中的數(shù)據(jù)；

4. 將RAM中的數(shù)據(jù)寫回Flash頁上；

對照STM32的數(shù)據(jù)手冊，查找到相關的數(shù)據(jù)：

1. 字寫入時間 40uS ~ 70uS;

2. 頁擦除時間40mS;

檢查軟件代碼，找到對USART的設置：

1. 波特率115200BPS；

2. 幀格式為1 個起始位，8個數(shù)據(jù)位，2個停止位；

檢查軟件代碼，發(fā)現(xiàn)其對USART的接收數(shù)據(jù)采用中斷的方式進行讀取。

結論：

通過計算，USART的每個幀的傳輸時間為：

該時間大于Flash的字寫入時間，小于Flash的頁擦除時間。所以，在Flash頁擦除期間有可能發(fā)生多次字節(jié)幀的傳輸。而在此其間，由于Flash接口不可用，CPU不能取指令，導致中斷得不到及時響應，從而發(fā)生接收到的數(shù)據(jù)未及時讀走而被覆蓋的現(xiàn)象。

處理：

在內存中建立循環(huán)緩沖區(qū)，開啟DMA 通道。一旦USART 有數(shù)據(jù)收到，DMA 負責將其傳輸至循環(huán)緩沖區(qū)中。軟件定期檢測循環(huán)緩沖區(qū)中是否有接收到的數(shù)據(jù)，如果有則加以處理。

建議：

在只有一個Flash 模塊的STM32 中，CPU對 Flash 接口的使用具有獨占性。該接口不能同時進行多個操作，比如，在寫操作的同時進行讀取操作，或在擦除操作的同時進行讀取操作，即便讀、寫操作的地址不同，或者所讀數(shù)據(jù)不在被擦除的頁上也不行。因此，當程序運行在Flash 上情況下，在對Flash 進行寫入、擦除操作時，往往會因為CPU 取不到指令而造成程序執(zhí)行的停頓。這一現(xiàn)象會引發(fā)系統(tǒng)對外部事件響應上的不及時，必須采取相應的措施加以避免。

通常，對于通信接收數(shù)據(jù)這類事件，可以使用DMA 進行輔助，避免數(shù)據(jù)被覆蓋。對于外部中斷、定時事件等必須要軟件及時響應的事件來說，可以將中斷向量表轉移到 RAM 中，同時將中斷服務程存放在 RAM 中執(zhí)行。CPU 的VTOR 寄存器用來存放中斷向量表的偏移地址，修改該寄存器的值，可以改變中斷向量表在內存空間中存放的地址，詳見Cortex-M3 的技術參考手冊。

在IAR 開發(fā)工具下，定義一個在RAM 中執(zhí)行的函數(shù)，可以使用其擴展關鍵字__ramfunc，舉例如下：

__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，可以將相關的中斷服務程序單獨放在一個“.c”文件中，然后通過修改scatter 文件來實現(xiàn)在RAM中執(zhí)行，例如中斷服務程序放在“exti9.c”中：

LD_ROM 0x8000000 0x10000

{

EX_ROM 0x08000000 0x10000

   {

      Startup.o(RESET,+FIRST)

      ANY(+RO)

     }

  EX_RAM 0x20000000

   {

    exti9.o(+RO)  ;將中斷服務函數(shù)放在RAM中

   }

RW_RAM +O

  {

  startup.o(STACK,+ZI)

  .ANY(+RW,+ZI).

   }

}

話題延伸：

我們再從另一角度來思考和探討該問題，拋磚引玉吧。

顯然，導致程序發(fā)生執(zhí)行停頓的一個關鍵原因是對Flash 進行了寫或者擦除操作。如果再排除這一原因，也就不會發(fā)生程序執(zhí)行停頓了。所以，要解決這一問題，可以將數(shù)據(jù)暫存在RAM 當中，而不是每次修改后都立刻更新Flash。可以考慮利用STM32 的PVD 功能監(jiān)控電源電壓，發(fā)現(xiàn)有掉電傾向立刻啟動寫Flash 操作，將RAM中暫存的數(shù)據(jù)寫到Flash 中。這樣，在整個STM32 運行期間，只有到了最后時刻才對Flash進行了寫操作，而這時也不需要再響應什么事件了（也沒時間響應了）。這是一個不錯的思路，當然，很多細節(jié)需要仔細斟酌。

首先，為節(jié)約這最后的每一微秒時間，F(xiàn)lash頁面的擦除要提前完成。若將這一操作放在STM32 開始監(jiān)控各種事情以后自然不妥，因為同樣會造成事件響應不及時。看來，最佳時間段只有系統(tǒng)初始化階段了。

其次，在擦除Flash 期間發(fā)生掉電要如何處置？這時，備份在RAM 中的數(shù)據(jù)會來不及寫回Flash 而丟失。為了避免這一情況的發(fā)生，可以使用雙頁交替存貯的方式（傳說中的乒乓操作）保存數(shù)據(jù)。兩個Flash 頁上分別存有兩個版本的數(shù)據(jù)，一新一舊，并在最后附有版本號及校驗和。系統(tǒng)初始化時，選擇的舊版本頁面或無效頁面進行擦除。這樣，既便此時發(fā)生掉電，也無須向Flash 寫回備份數(shù)據(jù)，因為最新數(shù)據(jù)仍在Flash中。而每次向Flash 更新數(shù)據(jù)時，都以更新的版本號進行標注，原來的新本數(shù)據(jù)自然的變成了舊版本。

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再次，為了盡量延長最后的可用于寫Flash 的時間，盡量降低系統(tǒng)功耗是非常有必要的。關掉PLL，直接使用OSC 送來的時鐘作為系統(tǒng)時鐘，可以明顯的降低功耗。關掉所有外設的時鐘可以進一步降低系統(tǒng)的功耗。根據(jù)片外電路的特性，調整I/O 的輸出狀還能進一步降低系統(tǒng)功耗。