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1)实验平台:【正点原子】 NANO STM32F103 开发板
2)摘自《正点原子STM32 F1 开发指南(NANO 板-HAL 库版)》关注官方微信号公众号,获取更多资料:正点原子 第二十八章 FLASH 模拟 EEPROM 实验 STM32 本身没有自带 EEPROM,但是 STM32 具有 IAP(在应用编程)功能,所以我们可以把它的 FLASH 当成 EEPROM 来使用。本章,我们将利用 STM32 内部的 FLASH 来实现第二十四章类似的效果,不过这次我们是将数据直接存放在 STM32 内部,而不是存放在 W25Q16。本章分为如下几个部分: 28.1 STM32 FLASH 简介 28.2 硬件设计 28.3 软件设计 28.4 下载验证 28.1 STM32 FLASH 简介 不同型号的 STM32,其 FLASH 容量也有所不同,最小的只有 16K 字节,最大的则达到了1024K 字节。NANO STM32 开发板选择的 STM32F103RBT6 的 FLASH 容量为 128K 字节,属于中容量产品(另外还有大容量和小容量产品),中容量产品的闪存模块组织如图 28.1.1 所示: 图 28.1.1 中容量产品闪存模块组织 STM32 的闪存模块由:主存储器、信息块和闪存存储器接口寄存器等 3 部分组成。 主存储器,该部分用来存放代码和数据常数(如 const 类型的数据)。对于大容量产品, 其被划分为 256 页,每页 2K 字节。注意,小容量每页只有 1K 字节,大容量产品则每页 2K 字 节。从上图可以看出主存储器的起始地址就是 0X08000000, B0、B1 都接 GND 的时候,就是 从 0X08000000 开始运行代码的。 信息块,该部分分为 2 个小部分,其中启动程序代码,是用来存储 ST 自带的启动程序, 用于串口下载代码,当 B0 接 V3.3,B1 接 GND 的时候,运行的就是这部分代码。用户选择字 节,则一般用于配置写保护、读保护等功能,本章不作介绍。 闪存存储器接口寄存器,该部分用于控制闪存读写等,是整个闪存模块的控制机构。 对主存储器和信息块的写入由内嵌的闪存编程/擦除控制器(FPEC)管理;编程与擦除的高电 压由内部产生。 在执行闪存写操作时,任何对闪存的读操作都会锁住总线,在写操作完成后读操作才能正 确地进行;既在进行写或擦除操作时,不能进行代码或数据的读取操作。 闪存的读取 内置闪存模块可以在通用地址空间直接寻址,任何 32 位数据的读操作都能访问闪存模块的 内容并得到相应的数据。读接口在闪存端包含一个读控制器,还包含一个 AHB 接口与 CPU 衔 接。这个接口的主要工作是产生读闪存的控制信号并预取 CPU 要求的指令块,预取指令块仅用 于在 I-Code 总线上的取指操作,数据常量是通过 D-Code 总线访问的。这两条总线的访问目标 是相同的闪存模块,访问 D-Code 将比预取指令优先级高。 这里要特别留意一个闪存等待时间,因为 CPU 运行速度比 FLASH 快得多,STM32F103 的 FLASH 最快访问速度≤24Mhz,如果 CPU 频率超过这个速度,那么必须加入等待时间,比 如我们一般使用72Mhz的主频,那么FLASH等待周期就必须设置为2,该设置通过FLASH_ACR 寄存器设置。 例如,我们要从地址 addr,读取一个半字(半字为 16 为,字为 32 位),可以通过如下的 语句读取: data=*(vu16*)addr; 将 addr 强制转换为 vu16 指针,然后取该指针所指向的地址的值,即得到了 addr 地址的值。 类似的,将上面的 vu16 改为 vu8,即可读取指定地址的一个字节。相对 FLASH 读取来说,STM32 FLASH 的写就复杂一点了,下面我们介绍 STM32 闪存的编程和擦除。 闪存的编程和擦除 STM32 的闪存编程是由 FPEC(闪存编程和擦除控制器)模块处理的,这个模块包含 7 个 32 位寄存器,他们分别是: ⚫ FPEC 键寄存器(FLASH_KEYR) ⚫ 选择字节键寄存器(FLASH_OPTKEYR) ⚫ 闪存控制寄存器(FLASH_CR) ⚫ 闪存状态寄存器(FLASH_SR) ⚫ 闪存地址寄存器(FLASH_AR) ⚫ 选择字节寄存器(FLASH_OBR) ⚫ 写保护寄存器(FLASH_WRPR) 其中 FPEC 键寄存器总共有 3 个键值: RDPRT 键=0X000000A5 KEY1=0X45670123 KEY2=0XCDEF89AB STM32 复位后,FPEC 模块是被保护的,不能写入 FLASH_CR 寄存器;通过写入特定的序 列到 FLASH_KEYR 寄存器可以打开 FPEC 模块(即写入 KEY1 和 KEY2),只有在写保护被 解除后,我们才能操作相关寄存器。 STM32 闪存的编程每次必须写入 16 位(不能单纯的写入 8 位数据哦!),当 FLASH_CR 寄存器的 PG 位为’1’时,在一个闪存地址写入一个半字将启动一次编程;写入任何非半字的 数据,FPEC 都会产生总线错误。在编程过程中(BSY 位为’1’),任何读写闪存的操作都会使 CPU 暂停,直到此次闪存编程结束。 同样,STM32 的 FLASH 在编程的时候,也必须要求其写入地址的 FLASH 是被擦除了的 (也就是其值必须是 0XFFFF),否则无法写入,在 FLASH_SR 寄存器的 PGERR 位将得到一 个警告。 STM23 的 FLASH 编程过程如图 28.1.2 所示: 图 28.1.2 STM32 闪存编程过程 从上图可以得到闪存的编程顺序如下: ⚫ 检查 FLASH_CR 的 LOCK 是否解锁,如果没有则先解锁 ⚫ 检查 FLASH_SR 寄存器的 BSY 位,以确认没有其他正在进行的编程操作 ⚫ 设置 FLASH_CR 寄存器的 PG 位为’1’ ⚫ 在指定的地址写入要编程的半字 ⚫ 等待 BSY 位变为’0’ ⚫ 读出写入的地址并验证数据 前面提到,我们在 STM32 的 FLASH 编程的时候,要先判断缩写地址是否被擦除了,所以, 我们有必要再介绍一下 STM32 的闪存擦除,STM32 的闪存擦除分为两种:页擦除和整片擦除。 页擦除过程如图 28.1.3 所示 图 28.1.3 STM32 闪存页擦除过程 从上图可以看出,STM32 的页擦除顺序为: ⚫ 检查 FLASH_CR 的 LOCK 是否解锁,如果没有则先解锁 ⚫ 检查 FLASH_SR 寄存器的 BSY 位,以确认没有其他正在进行的闪存操作 ⚫ 设置 FLASH_CR 寄存器的 PER 位为’1’ ⚫ 用 FLASH_AR 寄存器选择要擦除的页 ⚫ 设置 FLASH_CR 寄存器的 STRT 位为’1’ ⚫ 等待 BSY 位变为’0’ ⚫ 读出被擦除的页并做验证 本章,我们只用到了 STM32 的页擦除功能,整片擦除功能我们在这里就不介绍了。通过 以上了解,我们基本上知道了 STM32 闪存的读写所要执行的步骤了,接下来,我们看看与读 写相关的寄存器说明。 第一个介绍的是 FPEC 键寄存器:FLASH_KEYR。该寄存器各位描述如图 28.1.4 所示: 图 28.1.4 寄存器 FLASH_KEYR 各位描述 该寄存器主要用来解锁 FPEC,必须在该寄存器写入特定的序列(KEY1 和 KEY2)解锁后, 才能对 FLASH_CR 寄存器进行写操作。 第二个要介绍的是闪存控制寄存器:FLASH_CR。该寄存器的各位描述如图 28.1.5 所示: 图 28.1.5 寄存器 FLASH_CR 各位描述 该寄存器我们本章只用到了它的 LOCK、STRT、PER 和 PG 等 4 个位。 LOCK 位,该位用于指示 FLASH_CR 寄存器是否被锁住,该位在检测到正确的解锁序列 后,硬件将其清零。在一次不成功的解锁操作后,在下次系统复位之前,该位将不再改变。 STRT 位,该位用于开始一次擦除操作。在该位写入 1 ,将执行一次擦除操作。 PER 位,该位用于选择页擦除操作,在页擦除的时候,需要将该位置 1。 PG 位,该位用于选择编程操作,在往 FLASH 写数据的时候,该位需要置 1。 FLASH_CR 的其他位,我们就不在这里介绍了,请大家参考《STM32F10xxx 闪存编程参 考手册》第 18 页。 第三个要介绍的是闪存状态寄存器:FLASH_SR。该寄存器各位描述如图 28.1.6 所示: 图 28.1.6 寄存器 FLASH_SR 各位描述 该寄存器主要用来指示当前 FPEC 的操作编程状态。 最后,我们再来看看闪存地址寄存器:FLASH_AR。该寄存器各位描述如图 28.1.7 所示: 图 28.1.7 寄存器 FLASH_AR 各位描述 该寄存器在本章,我们主要用来设置要擦除的页。 关于 STM32 FLASH 的基础知识介绍,我们就介绍到这。更详细的介绍,请参考 《STM32F10xxx 闪存编程参考手册》。下面我们讲解使用 STM32 的官方固件库操作 FLASH 的几个常用函数。这些函数和定义分布在文件 stm32f1xx_hal_flash.c/stm32f1xx_hal_flash_ex.c 以及 stm32f1xx_hal_flash.h/stm32f1xx_hal_flash_ex.h 文件中。 1. 锁定解锁函数 上面讲解到在对 FLASH 进行写操作前必须先解锁,解锁操作也就是必须在 FLASH_KEYR 寄 存器写入特定的序列(KEY1 和 KEY2),固件库函数实现很简单: HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Unlock(void); //解锁函数 同样的道理,在对 FLASH 写操作完成之后,我们要锁定 FLASH,使用的 HAL 库函数是: HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Lock(void);//锁定函数 2. 写操作函数 HAL 库提供了一个通用的 FLASH 写操作函数 HAL_FLASH_Program,该函数声明如下: HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Program(uint32_t TypeProgram, uint32_t Address, uint64_t Data);//FLASH 写操作函数 该函数有三个入口参数。入口参数 TypeProgram 用来区分要写入的数据类型,取值为: FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD(半字:16 位) FLASH_TYPEPROGRAM_WORD(字:32 位) FLASH_TYPEPROGRAM_DOUBLEWORD(双字:64 位) 用户根据写入数据类型选择即可。第二个入口参数 Address 用来设置要写入的数据的 FLASH 地址。第三个入口参数 Data 顾名思义就是要写入的数据类型,这个参数默认是 64 位的, 如果你要写入小于 64 位的数据比如 16 位,程序会进行类型转换。 3. 擦除函数 HAL 库提供的擦除函数在 stm32f1xx_hal_flash_ex.c 中定义。和编程函数一样,HAL 提供 了一个通用的基于小区擦除的函数 FLASH_PageErase,该函数声明如下: HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit, uint32_t *PageError); 该 函 数 有 2 个 入 口 参 数 , 这 里 我 们 主 要 看 第 一 个 入 口 参 数 pEraseInit , 它 是 FLASH_EraseInitTypeDef 结构体指针类型,结构体 FLASH_EraseInitTypeDef 定义如下: typedef struct { uint32_t TypeErase; //擦除类型 uint32_t Banks;//擦除的 Bank 编号 uint32_t PageAddress;//擦除的 Page 地址 uint32_t NbPages; //擦除的 Page 数量 } FLASH_EraseInitTypeDef; 成员变量 TypeErase 用来设置擦除类型,是 Page 擦除还是 BANK 级别的批量擦除,取值为 FLASH_TYPEERASE_PAGES 或者 FLASH_TYPEERASE_MASSERASE,这个比较好理解,如 果是一次擦除一个 Bank 下面的所以 Page(STM32F103RBT6 只有 1 个 BANK),那么需要选 择 FLASH_TYPEERASE_MASSERASE。成员变量 Bank 用来设置要擦除的 Bank 编号,这个只 有设置为批量删除的时候才有效。成员变量 PageAddress 用来设置擦除的 Page 地址。成员变量 NbPage 用来设置要删除的 Page 数量。 Page 删除的实例代码如下: FLASH_EraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;//擦除类型,Page 擦除 FLASH_EraseInit.Bank=1; FLASH_EraseInit.PageAddress = 0x08000000;//页地址(页 0) FLASH_EraseInit.NbPages=1; //一次只擦除一个页 HAL_FLASHEx_Erase(&FLASH_EraseInit,&SectorError);//页擦除操作 另外 HAL 库还有提供擦除 Page 的函数,函数如下: void FLASH_PageErase(uint32_t PageAddress); 该函数只有一个入口参数 Page 地址,只要输入 Page 地址就可以实现擦除了。 4,等待操作完成函数 在执行闪存写操作时,任何对闪存的读操作都会锁住总线,在写操作完成后读操作才能正确地 进行,即在进行写或擦除操作时,不能进行代码或数据的读取操作。所以才每次操作之前,我 们都要等待上一次操作完成这次操作才能开始。HAL 库函数为: HAL_StatusTypeDef FLASH_WaitForLastOperation(uint32_t Timeout); 该函数在 HAL 库中很多地方用到,比如擦除函数 HAL_FLASHEx_Erase 中对 FLASH 进行擦除 操作后会调用该函数,等待擦除操作完成。 5,读 FLASH 特定地址数据函数 有写就必定有读,而读取 FLASH 指定地址的数据的函数固件库并没有给出来,这里我们提供 从指定地址一个读取一个半字的函数; u16 STMFLASH_ReadHalfWord(u32 faddr) { return *(vu16*)faddr; } 28.2 硬件设计 本章实验功能简介:开机的时候在串口调试助手打印提示信息,然后在主循环里面检测两 个按键,其中 1 个按键(KEY_UP)用来执行写入 FLASH 的操作,另外一个按键(KEY1)用 来执行读出操作,DS2 在读写过程中会闪烁,FLASH 读写过程相关信息打印在串口调试助手 上。同时用 DS0 提示程序正在运行。 所要用到的硬件资源如下: 1) 指示灯 DS0、DS2 2) KEY_UP 和 KEY1 按键 3) STM32 内部 FLASH 本章需要用到的资源和电路连接,在之前已经全部有介绍过了,接下来我们直接开始软件 设计。 28.3 软件设计 打开我们的 FLASH 模拟 EEPROM 实验工程,可以看到我们添加了两个文件 stmflash.c 和 stm32flash.h 。 同 时 我 们 还 引 入 了 固 件 库 flash 操 作 文 件 stm32f1xx_hal_flash.c/stm32f1xx_hal_flash_ex.c 和头文件 stm32f1xx_hal_flash.h/stm32f1xx_hal_ flash_ex.h。 打开 stmflash.c 文件,代码如下: //读取指定地址的半字(16 位数据) //faddr:读地址 //返回值:对应数据. u16 STMFLASH_ReadHalfWord(u32 faddr) { return *(vu16*)faddr; } #if STM32_FLASH_WREN //如果使能了写 //不检查的写入 //WriteAddr:起始地址 //pBuffer:数据指针 //NumToWrite:半字(16 位)数 void STMFLASH_Write_NoCheck(u32 WriteAddr,u16 *pBuffer,u16 NumToWrite) { u16 i; for(i=0;i HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD, WriteAddr,pBuffer); WriteAddr+=2;//地址增加 2. } } //从指定地址开始写入指定长度的数据 //WriteAddr:起始地址(此地址必须为 2 的倍数!!) //pBuffer:数据指针 //NumToWrite:半字(16 位)数(就是要写入的 16 位数据的个数.) #if STM32_FLASH_SIZE<256 #define STM_SECTOR_SIZE 1024 //字节 #else #define STM_SECTOR_SIZE 2048 #endif u16 STMFLASH_BUF[STM_SECTOR_SIZE/2];//最多是 2K 字节 void STMFLASH_Write(u32 WriteAddr,u16 *pBuffer,u16 NumToWrite) { u32 secpos; //扇区地址 u16 secoff; //扇区内偏移地址(16 位字计算) u16 secremain; //扇区内剩余地址(16 位字计算) u16 i; u32 offaddr; //去掉 0X08000000 后的地址 if(WriteAddr (STM32_FLASH_BASE+1024*STM32_FLASH_SIZE)))return;//非法地址 HAL_FLASH_Unlock(); //解锁 offaddr=WriteAddr-STM32_FLASH_BASE; //实际偏移地址. secpos=offaddr/STM_SECTOR_SIZE; //扇区地址 0~127 for STM32F103RBT6 secoff=(offaddr%STM_SECTOR_SIZE)/2; //在扇区内的偏移(2 个字节为基本单位.) secremain=STM_SECTOR_SIZE/2-secoff; //扇区剩余空间大小 if(NumToWrite<=secremain)secremain=NumToWrite;//不大于该扇区范围 while(1) { STMFLASH_Read(secpos*STM_SECTOR_SIZE+STM32_FLASH_BASE, STMFLASH_BUF,STM_SECTOR_SIZE/2);//读出整个扇区的内容 for(i=0;i { if(STMFLASH_BUF[secoff+i]!=0XFFFF)break;//需要擦除 } if(i FLASH_PageErase(secpos*STM_SECTOR_SIZE+STM32_FLASH_BASE); //擦除这个扇区 FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_WAITETIME); //等待上次操作完成 CLEAR_BIT(FLASH->CR, FLASH_CR_PER); //清除 CR 寄存器的 PER 位,此操作应该在 FLASH_PageErase()中完成! //但是 HAL 库里面并没有做,应该是 HAL 库 bug! for(i=0;i STMFLASH_BUF[i+secoff]=pBuffer; } STMFLASH_Write_NoCheck(secpos*STM_SECTOR_SIZE+ STM32_FLASH_BASE,STMFLASH_BUF,STM_SECTOR_SIZE/2);//写入整个扇区 }else { FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_WAITETIME); //等待上次操作完成 STMFLASH_Write_NoCheck(WriteAddr,pBuffer,secremain); //写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. } if(NumToWrite==secremain)break;//写入结束了 else//写入未结束 { secpos++; //扇区地址增 1 secoff=0; //偏移位置为 0 pBuffer+=secremain; //指针偏移 WriteAddr+=secremain*2;//写地址偏移(16 位数据地址,需要*2) NumToWrite-=secremain;//字节(16 位)数递减 if(NumToWrite>(STM_SECTOR_SIZE/2))secremain=STM_SECTOR_SIZE/2; //下一个扇区还是写不完 else secremain=NumToWrite;//下一个扇区可以写完了 } }; HAL_FLASH_Lock(); //上锁 } #endif //从指定地址开始读出指定长度的数据 //ReadAddr:起始地址 //pBuffer:数据指针 //NumToWrite:半字(16 位)数 void STMFLASH_Read(u32 ReadAddr,u16 *pBuffer,u16 NumToRead) { u16 i; for(i=0;i pBuffer=STMFLASH_ReadHalfWord(ReadAddr);//读取 2 个字节. ReadAddr+=2;//偏移 2 个字节. } } //////////////////////////////////////////测试用/////////////////////////////////////////// //WriteAddr:起始地址 //WriteData:要写入的数据 void Test_Write(u32 WriteAddr,u16 WriteData) { STMFLASH_Write(WriteAddr,&WriteData,1);//写入一个字 } 该文件的代码,所调用的 HAL 库函数在 28.1 小节已经详细讲解。下面我们重点介绍一下 STMFLASH_Write 函数,该函数用于在 STM32 的指定地址写入指定长度的数据,该函数的实 现基本类似第 24 章的 W25QXX_Write 函数,不过该函数对写入地址是有要求的,必须保证以 下两点: 1, 该地址必须是用户代码区以外的地址。 2, 该地址必须是 2 的倍数。 条件 1 比较好理解,如果把用户代码给卡擦了,可想而知你运行的程序可能就被废了,从 而很可能出现死机的情况。条件 2 则是 STM32 FLASH 的要求,每次必须写入 16 位,如果你写 的地址不是 2 的倍数,那么写入的数据,可能就不是写在你要写的地址了。 另外,该函数的 STMFLASH_BUF 数组,也是根据所用 STM32 的 FLASH 容量来确定的, NANO STM32 开发板的 FLASH 是 128K 字节,所以 STM_SECTOR_SIZE 的值为 1024,故该 数组大小为 1K 字节。其他函数我们就不做介绍了。 然后打开 stmflash.h,该文件代码代码非常简单,我们就不做介绍了。 最后,打开 main.c 文件,main 函数如下: //要写入到 STM32 FLASH 的字符串数组 const u8 TEXT_Buffer[]={"STM32 FLASH TEST"}; #define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)//数组长度 #define FLASH_SAVE_ADDR 0X08010000 //设置 FLASH 保存地址(必须为偶数,且其值要大于本代码所占用 FLASH 的大小 +0X08000000) int main(void) { u8 key; u16 i=0; u8 datatemp[SIZE]; HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M delay_init(72); //初始化延时函数 uart_init(115200); //初始化串口 usmart_dev.init(72); //初始化 USMART LED_Init(); //初始化与 LED 连接的硬件接口 KEY_Init(); //按键初始化 printf("NANO STM32rn"); printf("FLASH EEPROM TESTrn"); printf("WK_UP:Write KEY1:Readrn"); while(1) { key=KEY_Scan(0); if(key==WKUP_PRES)//WK_UP 按下,写入 STM32 FLASH { LED2=0; printf("rnStart Write FLASH....rn"); STMFLASH_Write(FLASH_SAVE_ADDR,(u16*)TEXT_Buffer,SIZE); printf("FLASH Write Finished!rn");//提示传送完成 LED2=1; } if(key==KEY1_PRES)//KEY1 按下,读取字符串并显示 { LED2=0; printf("rnStart Read FLASH.... rn"); STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR,(u16*)datatemp,SIZE); printf("The Data Readed Is: rn");//提示传送完成 printf("%srn",datatemp);//显示读到的字符串 LED2=1; } i++; delay_ms(10); if(i==20) { LED0=!LED0;//提示系统正在运行 i=0; } } } 主函数部分代码非常简单,首先进行按键扫描,然后分别进行按键的写操作和读操作。至此,我们的软件设计部分就结束了。 28.4 下载验证 在代码编译成功之后,我们先打开串口调试助手,然后下载代码到 ALIENTEK NANO STM32 开发板上,通过先按 WK_UP 按键写入数据,然后按 KEY1 读取数据,得到如图 28.4.1 所示: 图 28.4.1 程序运行效果图 在 FLASH 的读写过程中,DS2 会闪烁,同时 DS0 也会的不停闪烁,提示程序在运行。本 章的测试,我们还可以借助 USMART,在 USMART 里面添加 STMFLASH_ReadHalfWord 函数, 既可以读取任意地址的数据。当然,你也可以将 STMFLASH_Write 稍微改造下,这样就可以在 USMART 里面验证 STM32 FLASH 的读写了。 |
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