第四十二章 FLASH模拟EEPROM实验
STM32H750本身没有自带EEPROM,但是STM32H750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STM32H750内部的FLASH来实现第三十六章实验类似的效果,不过这次我们是将数据直接存放在STM32H750内部,而不是存放在NOR FLASH。
本章分为如下几个小节:
42.1 STM32H750 FLASH简介
42.2 硬件设计
42.3 程序设计
42.4 下载验证
42.1 STM32H750 FLASH简介
STM32H750内部只有128K FLASH,仅有1个扇区,STM32H750的闪存模块组织如表42.1.1所示:
块 |
名称 |
FLASH起始地址 |
大小 |
BANK1 |
扇区0 |
0X0800 0000-0X0801FFFF |
128K |
系统存储器 |
0X1FF0 0000-0X1FF1FFFF |
128K |
表42.1.1 STM32H750闪存模块组织
STM32H750为了节省成本,内部仅包含1个用户扇区(Sector0),大小为128K。另外,内部还有一个128K的系统存储区,用于存储ST自己的BootLoader程序等,不过这个128K用户是无法访问的。
关于STM32H750内部FLASH的详细说明,详见《STM32H7xx参考手册_V7(英文版)》第4.3节相关内容。
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。
42.1.1 闪存的读取
为了准确读取 Flash 数据,必须根据ACLK时钟rcc_aclk) 频率和Vcore电压范围在 Flash 存取控制寄存器 (FLASH_ACR) 中正确地设置等待周期数 (LATENCY)。Flash 等待周期与ACLK时钟频率之间的对应关系,如表42.1.1.2所示:
表42.1.1.2 ACLK时钟(rcc_aclk)频率对应的FLASH等待周期表
等待周期通过FLASH_ACR寄存器的LATENCY[2:0]三个位设置。系统复位后,CPU时钟频率为内部64M RC振荡器(HSI),LATENCY默认是0,即0个等待周期。为了得到更佳的FLASH访问性能,我们设置Vcore电压范围为VOS1级别(1.15V~1.26V)。rcc_aclk和rcc_hclk3的频率是一样的,都是来自RCC_D1CFGR的HPRE[3:0]分频,rcc_hclk3我们一般设置的是240Mhz,这样rcc_aclk也是240Mhz的频率。我们设置等待周期为4(LATENCY[2:0]=4),否则FLASH读写可能出错,导致死机。寄存器的设置和HAL库的是不一样的,这个请大家注意一下。这个知识点我们在11.2.1小节讲解过,请回顾。
STM32H750的FLASH读取是很简单的。例如,我们要从地址addr,读取一个字(一个字为32位),可以通过如下的语句读取:
Data = *(volatile uint32_t *)faddr;
将faddr强制转换为volatile uint32_t指针,然后取该指针所指向的地址的值,即得到了faddr地址的值。类似的,将上面的volatile uint32_t改为volatile uint8_t,即可读取指定地址的一个字节。相对FLASH读取来说,STM32H750 FLASH的写就复杂一点了,下面我们介绍STM32H750闪存的编程和擦除。
42.1.2 闪存的编程和擦除
在对 STM32H750的Flash执行写入或擦除操作期间,任何读取Flash的尝试都会导致总线阻塞。只有在完成编程操作后,才能正确处理读操作。这意味着,写/擦除操作进行期间不能从Flash中执行代码或数据获取操作。
特别注意:因为STM32H750内部仅有1个扇区,所以在执行对该扇区的擦除或者写入操作时,是无法执行内部FLASH代码的,因此,必须外扩QSPI FLASH,将擦除/编程内部扇区相关的代码放到外部QSPI FLASH,这样才可以实现对内部FLASH的正常擦除及写入操作。
STM32H750用户闪存的编程一般由5个32位寄存器控制,他们分别是:
- FLASH访问控制寄存器(FLASH_ACR)
- FLASH秘钥寄存器1(FLASH_KEYR1)
- FLASH状态寄存器1(FLASH_SR1)
- FLASH控制寄存器1(FLASH_CR1)
- FLASH清除与控制寄存器1(FLASH_CCR1)
注意:这里的FLASH_KEYR1、FLASH_SR1、FLASH_CR1、FLASH_CCR1分别对应Bank1的相关寄存器,所以单个Bank的控制寄存器由:FLASH_KEYR、SR、CR和CCR等四个寄存器控制。下面,我们直接以FLASH_KEYR、FLASH_CR、FLASH_SR和FLASH_CCR来介绍相关操作。
STM32H750复位后,FLASH编程操作是被保护的,不能写入FLASH_CR寄存器;通过写入特定的序列(0X45670123和0XCDEF89AB)到FLASH_KEYR寄存器才可解除写保护,只有在写保护被解除后,我们才能操作相关寄存器。
FLASH_CR的解锁序列为:
- 写0X45670123到FLASH_KEYR
- 写0XCDEF89AB到FLASH_KEYR
通过这两个步骤,即可解锁FLASH_CR,如果写入错误,那么FLASH_CR将被锁定,直到下次复位后才可以再次解锁。
STM32H750闪存的编程位数固定为256位,也就是每次写入数据必须为8个字(32字节),如果不够8个字,可以在后面进行补零写入,否则后续的内容将不可预知。而且,写入首地址必须是32的整数倍,否则会影响前后数据。
举例来说,假设我们要往:0X0810 0000这个地址写入一个字节的数据,则写入一个字节数据的同时,也会影响接下来31字节的内容,因此,如果你只需要写入一个字节,则可以将后面的31字节全部填充成0,然后组成一个32字节数组(256位),一次写入。而且,如果你写入数据的首地址不是32的倍数,比如往0X0810 0004这里,写入1个字节数据,则会把地址:0X0810 0000 ~ 0X0810 0003的数据也损坏掉(擦除)。所以,记住STM32H7 FLASH写入的规则:写入首地址必须是32的倍数,写入数据长度必须是32字节的倍数。
FLASH配置步骤
STM32H750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0XFFFFFFFF),否则无法写入。STM32H750的标准编程步骤如下:
1,检查FLASH_CR的LOCK是否解锁,如果没有则先解锁
2,检查FLASH_SR中的BSY位,确保当前未执行任何FLASH操作。
3,设置FLASH_CR寄存器的PSIZE[1:0]为2,按字写入(32位写入)。
4,将FLASH_CR寄存器中的PG位置1,激活FLASH编程。
5,在指定的存储器地址,写入数据(一次写入32字节,不能超过32字节)
6,等待BSY位清零,完成一次编程。
按以上六步操作,就可以完成一次FLASH编程。不过需要注意:编程前,要确保要写如地址的FLASH已经擦除。
在STM32H750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STM32H750的闪存擦除,STM32H750的闪存擦除分为两种:扇区擦除和块擦除。
扇区擦除步骤如下:
1,检查FLASH_CR的LOCK是否解锁,如果没有则先解锁。
2,检查FLASH_SR寄存器中的BSY 位,确保当前未执行任何FLASH操作。
3,在FLASH_CR寄存器中,将SER位置1,并设置SNB=0(只有1个扇区,扇区0)。
4,将FLASH_CR寄存器中的START位置1,触发擦除操作。
5,等待BSY位清零。
经过以上五步,就可以擦除某个扇区。本章,我们只用到了STM32H750的扇区擦除功能。块擦除功能我们在这里就不介绍了,想了解的朋友请看《STM32H7xx参考手册_V7(英文版).pdf》的相关内容。
42.1.3 FLASH寄存器
- Flash访问控制寄存器(FLASH_ACR)Flash访问控制寄存器描述如图42.1.3.1所示:
-
图42.1.3.1 FLASH_ACR寄存器
WRHIGHFREQ[1:0]位,用于控制FLASH编程操作时的延迟,必须根据FLASH操作频率(rcc_aclk)进行正确的设置:00,rcc_aclk≤85Mhz;01,rcc_aclk≤185Mhz;10,rcc_aclk≤285Mhz;
11,rcc_aclk≤385Mhz;我们的rcc_aclk设置的是240Mhz,设置WRHIGHFREQ[1:0]=10即可。
LATENCY[2:0]位,用于控制FLASH读延迟,必须根据我们MCU内核的工作电压和频率,来进行正确的设置,否则,可能死机,设置规则见表42.1.1.2。 - 存储区1的FLASH密钥寄存器(FLASH_KEYR1)存储区1的FLASH密钥寄存器描述如图42.1.3.2所示:
-
图42.1.3.2 FLASH_KEYR1寄存器
该寄存器主要用来解锁FLASH_CR,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。 - 存储区1的FLASH控制寄存器(FLASH_CR1)存储区1的FLASH控制寄存器描述如图42.1.3.3所示:
-
图42.1.3.3 FLASH_CR1寄存器
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。
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。
SER位,该位用于选择扇区擦除操作,在扇区擦除的时候,需要将该位置1。
PSIZE[1:0]位,用于设置编程宽度,我们一般设置PSIZE =2即可(32位)。
SATRT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。
SNB[2:0]位,这3个位用于选择要擦除的扇区编号,取值范围为0~7,H750只能设为0。
FLASH_CR的其他位,我们就不在这里介绍了,请大家参考《STM32H7xx参考手册_V7(英文版).pdf》 。 - 存储区1的FLASH状态寄存器(FLASH_SR1)
存储区1的FLASH状态寄存器描述如图42.1.3.4所示:
图42.1.3.4 FLASH_SR1寄存器
BSY位:表示BANK当前正在执行编程操作,必须等待该位为0,才可以执行其他操作。
WBNE位:表示BANK写BUFFER是否为空。当该位为1时,表示写BUFFER里面还有数据待写入FLASH,需要等待该位为0,才表示数据写入全部完成了。
QW位:表示操作序列里面是否还有编程操作需要执行,需要等待该位为0,才表示所有的编程操作完成了。
最后,FLASH清除控制寄存器FLASH_CCR用于清除相关错误,这里我们就不做介绍了,详见《STM32H7xx参考手册_V7(英文版).pdf》第3.9.6节。
42.2 硬件设计
1. 例程功能
按键KEY1控制写入FLASH的操作,按键KEY0控制读出操作,并在TFTLCD模块上显示相关信息,还可以借助USMART进行读取或者写入操作。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源
1)RGB灯
RED :LED0 - PB4
2)串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3)正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏,16位8080并口驱动)
4)独立按键 :KEY0 - PA1、KEY1 - PA15
42.3 程序设计
42.3.1 FLASH的HAL库驱动
FLASH在HAL库中的驱动代码在stm32h7xx_hal_flash.c和stm32h7xx_hal_flash_ex.c文件(及其头文件)中。
1. HAL_FLASH_Unlock函数
解锁闪存控制寄存器访问的函数,其声明如下:
- 函数描述:用于解锁闪存控制寄存器的访问,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)。
- 函数形参:无
- 函数返回值:HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。2. HAL_FLASH_Lock函数锁定闪存控制寄存器访问的函数,其声明如下:
- 函数描述:用于锁定闪存控制寄存器的访问。
- 函数形参:无
- 函数返回值:HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。3. HAL_FLASHEx_Erase函数闪存擦除函数,其声明如下:
- 函数描述:该函数用于大量擦除或擦除指定的闪存扇区。
-
函数形参:形参1是FLASH_EraseInitTypeDef结构体类型指针变量。
形参2是uint32_t类型指针变量,存放错误码,0xFFFFFFFF值表示扇区已被正确擦除,其它值表示擦除过程中的错误扇区。。 - 函数返回值:HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。4. FLASH_WaitForLastOperation函数等待FLASH操作完成函数,其声明如下:
- 函数描述:该函数用于等待FLASH操作完成。
-
函数形参:形参1是FLASH操作超时时间。
形参2是等待BANK1还是BANK2操作完成,这里我们用的H750只能选择BANK1。 - 函数返回值:
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
42.3.2 程序流程图
图42.3.2.1 FLASH模拟EEPROM实验程序流程图
42.3.3 程序解析
1. STMFLASH驱动代码
这里我们只讲解核心代码,详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。STMFLASH驱动源码包括两个文件:stmflash.c和stmflash.h。
stmflash.h头文件做了一些比较重要的宏定义,定义如下:
STM32_FLASH_BASE和STM32_FLASH_SIZE分别是FLASH的起始地址和FLASH总大小,这两个宏定义随着芯片是固定的,我们开发板的H750芯片的FLASH是128K字节,所以STM32_FLASH_SIZE宏定义值为0x20000。
比较重要的一个宏定义是BOOT_FLASH_SIZE,因为这个宏定义需要用户根据自己工程的大小设置的。设置方法如下:首先编译我们的工程,通过查看.map文件,查询并计算出程序加载都STM32内部FLASH的指令内存的大小,最后根据这个大小来定义这个宏的值。这里,我们直接编译HAL库实验30 FLASH模拟EEPROM实验的例程,然后如下图操作:
图42.3.3 查看程序加载占用FLASH的大小
首先双击FLASH打开.map文件,然后查询到Execution Region ER_m_stmflash。如图中所示,得到加载到STMFLASH的程序占用的内存大小约为14.2KB。
因此,BOOT_FLASH_SIZE宏定义的值我们设置为0x4000(即16KB),表示预留STMFLASH的前16K的内存用于保存BootLoader。在本工程中,BOOT_FLASH_SIZE宏定义的值要满足几个条件,一是必须大于14.2KB,二是必须是4的倍数,三是预留一定的空间给BootLoader执行过程的内存消耗。
FLASH_WAITETIME是FLASH等待超时时间的宏定义。
BANK1_FLASH_SECTOR_0是Bank1扇区0起始地址,H750xx就只有BANK1的扇区0有效,共128KB。
下面我们开始介绍stmflash.c的程序,具体程序源码如下:
该部分代码,我们重点介绍一下stmflash_write函数,该函数用于在STM32H750的指定地址写入指定长度的数据,有几个要注意的点:
- 写入地址必须是在BOOT_FLASH_SIZE以后。
- 写入地址必须是32的倍数。
- 单次写入长度必须是32字节的倍数(8个字)。
第1点重点说明一下,BOOT_FLASH_SIZE是我们在stmflash.h里面定义的一个宏定义,其值为:0X4000,即16K,也就是写入数据必须在16K以后的地址(0X0800 0000 + 0X4000)写入。因为STM32H750内部仅有1个扇区,为了方便做IAP应用,必须把这一个扇区分为2部分:IAP部分和APP部分,我们预留16K地址范围给IAP,所以本例程写入地址必须在16K以后,以便后面的IAP应用。
另外,由于H750内部只有1个扇区,在擦除扇区的时候,连带所有数据都擦掉了(IAP也擦了),所以,为了能够实现保留IAP的效果,我们在stmflash_write函数里面,执行擦除扇区之前,会先备份前16K的数据,将前16K数据保存到SRAM,然后再擦除扇区,擦除完了以后,再从SRAM里面恢复这16K数据到扇区里面去,这样就可以实现类似擦除扇区但是仍保留前16K数据的效果。需要特别注意的是:在擦除扇区或写入扇区数据的时候,不能执行任何内部FLASH上面的代码!所有相关的代码必须存放到外部QSPI FLASH。体现到本例程就是:stmflash.c的代码,都应该存放到外部QSPI FLASH,而不能存放到H750内部FLASH。
第2点和第3点则是由于STM32H7的FLASH特性,每次写入必须是256位宽,也就是32字节,因此写入首地址必须是32字节的倍数,且写入数据长度必须是32字节的倍数。
另外,在STMFLASH_Write8Word函数里面,有一个__DSB函数,该函数用于屏蔽数据同步,该函数在cmsis_armcc.h里面定义,这里在执行等待操作完成之前,必须调用该函数,否则将无法往FLASH写入数据。
由于我们使用了分散加载(qspi_code.scf),stmflash.c编译后是自动存放到外部QSPI FLASH的,所以不需要做额外的设置。关于分散加载说明,详见:8.2小节。
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码:
主函数代码逻辑比较简单,当检测到按键KEY1按下后往FLASH指定地址开始的连续地址空间写入一段数据,当检测到按键KEY0按下后读取FLASH指定地址开始的连续空间数据。最后,我们将stmflash_read_word和test_write函数加入USMART控制,这样,我们就可以通过串口调试助手,调用STM32H750的FLASH读写函数,方便测试。
42.4 下载验证
将程序下载到开发板后,可以看到LED0不停的闪烁,提示程序已经在运行了。LCD显示的内容如图42.4.1所示:
图42.4.1程序运行效果图
通过先按KEY1按键写入数据,然后按KEY0读取数据,得到如图42.4.2所示:
图42.4.2操作后的显示效果图
本实验的测试,我们还可以借助USMART,调用:stmflash_read_word和test_write函数进行测试!