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对 Flash 操作导致 USART 接收丢数据

问题:
该问题客户提出,发生在STM32F103VDT6 器件上。据其工程师讲述:在其产品设计中,使用了STM32 片上Flash 模拟了一个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 的每个字节帧的传输时间为:
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 有数据接收到,由 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,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,既便读、写操作的地址不同,或者所读数据不在被擦除的页上。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
再从另一个方面考虑该问题,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。如果在排除这一原因,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,然而很多细节需要仔细斟酌。首先,为了节约这最后时刻的每一个微秒的时间,Flash 页面的擦除操作是要提前完成的。将这一操作放在 STM32 开始监控各种事以后自然不妥,因为这同样会造成对事件响应不及时。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,接直使用 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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