钽酸锂晶片
Application Report ZHCA608 – June 2014
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基于MSP430FR 系列MCU 的多功能双接口存储器设计 Triton Zhang, Hardy Hu MCU FAE Team
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。
目录
摘要 (1)
1 前言........................................................................................................................ 2 2 功能介绍. (2)
2.1 MSP430FRXX 系列MCU 简介 (2)
2.2 FRAM 简介 (2)
2.3 MSP430FRXX 系列MCU 中FRAM 管理器简介 (3)
2.4 多功能双接口存储器系统功能简介 (3)
2.5 多功能双接口存储器系统典型应用简介 (4)
3 系统设计 (7)
3.1 系统框图 (7)
3.2 管脚定义 (8)
3.3 存储器分配 (8)
3.5 系统配置寄存器 (10)
3.6 I2C 接口说明 (11)
3.7 SPI 接口说明 (11)
4 功能模块设计 (11)
4.1 铁电(FRAM)存储器 (11)
4.1.1 I2C 接口访问 (12)
4.1.2 SPI 接口访问 (12)
4.2 RTC 模块 (12)
4.2.1 功能描述 (12)
4.2.2 RTC 模块寄存器描述 (12)
4.3 AES 加密模块 (13)
4.3.1 AES 加密/解密模块寄存器列表(基地址 : 0xF400) (13)
4.3.2 AES 加密/解密模块控制寄存器(偏移地址 : 0x00) (13)
4.4 电压检测器模块 (14)
4.4.1 电压检测模块寄存器描述(基地址 : 0xF000) (14)
4.4.2 电压检测模块控制寄存器(偏移地址 : 0x00) (14)
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基于MSP430FR系列MCU的多接口存储器设计
棱镜片2
4.4.3电压检测模块电压门限寄存器 VTRIPNX（16Bit） (14)
4.5WDT模块 (15)
4.5.1看门狗模块寄存器描述(基地址 : 0xEC00) (15)
4.5.2看门狗模块控制寄存器(偏移地址 : 0x00) (15)
4.5.3看门狗溢出周期寄存器 WDTN_VAL（32Bit） (16)
5 软件设计 (16)气囊减震器
5.1软件流程图 (17)
6 参考文献 (17)
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MCU
FLASH+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
离线浏览件加解密模块，32位硬件乘法器
等，其余性能指标可详见[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。
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3 基于MSP430FR 系列MCU 的多接口存储器设计 • 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
搓齿机
错误中断通知MCU ，进行相应的操原油脱硫剂
作。
图2.2 FRAM controller 与 MPU 结构图 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的功能框图如下
:
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基于MSP430FR 系列MCU 的多接口存储器设计
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图2.3 MSP430FR5969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。
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5 基于MSP430FR 系列MCU 的多接口存储器设计
图2.4 双接口存储器应用场景示意图
除了上文所述的典型双接口存储器应用之外，使用MSP430FRXX 系列MCU 设计的系统还可以同时提供替代存储，增强系统Watchdog ，RTC ，数据加密等功能。故本文同时发现在许多其他的应用中同样可以使用该方案，提高系统的集成度，优化系统的硬件设计，提高系统软件的灵活性。比如模块化的数据采集与发布系统，以及基于BLE 的快速数据传输系统。
正如下图所示，其是一个典型的模块化数据采集与发布系统。整个系统分为主控制板，前端数据采集或发布板，人机交互板和无线数据传输板组成。由于这种模式的应用（例如，工业现场多种探测器数据采集系统，分布式广播信息发布系统等），有一个重要的特点，系统的功能配置需要根据实际环境的需要，能够灵活的调整模块种类，增减模块数量。故通常在工程上，会将其高度模块化，各个模块均用同一的串行总线（UART ，IIC 或者SPI 等）进行通信。
图2.5 模块化的数据采集与发布系统
在主控板上，均需要多个串行接口的MCU （通常要求支持到8个UART/IIC/SPI 及以上），同时有数据加密的要求，外部RTC 支持，外部看门狗等，以及EEPROM 存储自身和外接模块配置信息。此时便可以使用
MSP430FR59XX 系列MCU+一颗拥有多串行接口的MCU 实现主控制板的功能，优化系统的设计。
