对 Flash 操作导致 USART 接收丢数据

只看该作者 · 2021-11-4 16:54

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

只看该作者 · 2021-11-4 16:54

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。

只看该作者 · 2021-11-4 16:55

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

只看该作者 · 2021-11-4 16:57

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，举例如下：

在 Keil RMDK 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 RAM 中执行，例
如中断服务程序放在“exti9.c”中：

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……

只看该作者 · 2021-11-5 14:15

感觉没写完呢，不过挺好的。

对 Flash 操作导致 USART 接收丢数据

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