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5.6 STM32驱动开发-读写Flash和模拟EEPROM

前言

这里主要讲解 Breeze Mini 的FLASH相关操作，完整代码在工程目录下的 Drivers 子目录下的 stm32f10x_driver_flash.c、stm32f10x_driver_flash.h、stm32f10x_driver_eeprom.c 和 stm32f10x_driver_eeprom.h 中，该代码主要实现对STM32自身的FLASH进行读写来模拟实现EEPROM的功能，进而存储控制算法所需的相关常数。

相关知识

ICP、ISP和IAP简介

ICP、ISP和IAP是对基于FLASH的IC进行烧写的3种方式，这里简单介绍一下3者之间的区别。

ICP

ICP(In-Circuit Programming)即 "在电路编程"，指的是通过外接的仿真/下载器(JLink)，通过特定的通信协议标准(JTAG或者SWD)，可对所有FLASH空间进行烧写的一种编程方式。使用ICP方式烧写只需满足IC上电这个条件，结合MDK等IDE的话还可以进行在硬件单步调试，这是ICP编程的一个优势。

ISP

ISP(In-System Programming)即 "在系统编程"，指的是不通过外接的仿真/下载器，只通过板载的通信接口(USART)将代码烧写到部分FLASH空间的一种编程方式。使用ISP方式烧写需满足IC和晶振上电，且预先要有一段程序已被烧写进去。

IAP

IAP(In-Application Programming)即 "在应用编程"，指的是在MCU运行的状态下，不通过外接的仿真/下载器，只通过板载的通信接口(USART)将代码烧写到部分FLASH空间的一种编程方式。实现IAP方式时，FLASH空间需要有两块存储区，一块被称为BOOT区，一个被称为主程序区，程序上电时选择从BOOT区启动，此时若有对主程序区的编程需求，则会对其进行编程。否则程序指针会跳转到主程序区去执行代码。

3种方式总结

这里用一个比较形象的比喻来描述3者之间的区别：

  1. ICP是把房子和地基都拆了重建，人需要等两者造好之后才能入住(主程序不能运行)

  2. ISP是把房子拆了重建，但是地基还保留着，人需要等房子造好后才能入住(主程序不能运行)

  3. IAP是对造好的房子进行内饰装修，此时人是可以入住的(主程序能运行)

STM32 FLASH简介

STM32不同型号的控制器的FLASH的容量也有所不同，最小的只有16K字节，最大的则有1024K字节，Breez Mini 选择的 STM32F103TBU6 的FLASH容量为128K字节，属于中等容量产品。中等容量产品的闪存模块结构如下图所示：

由上图可见，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 3部分组成。

主存储器

主存储器用来存放代码和常数数据(如const类型的数据)，对于STM32F103TBU6来说，其主存储器每页上有1K字节，共128页。从上图可以看出主存储器的起始地址为 0x08000000。

信息块

该部分分为2个部分，其中 System memory 中存储ST官方自带的启动程序，是为了能够进行串口下载用的。Option Bytes 一般用于配置写保护、读保护等功能。

闪存存储器接口寄存器

该寄存器用于控制闪存读写。对主存储器和信息块的写入由内部的闪存编程擦除控制器管理，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执行，即在进行写或擦除操作时，不能读取代码或数据。

闪存的读取

内置的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够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的衔接。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更高。

这里要特别注意闪存等待时间，因为CPU的运行速度比FLASH快得多，STM32F103的FLASH最快访问速度是不超过24MHz的，所以若CPU的工作频率超过24MHz，则必须设置FLASH的等待时间，我们这里使CPU工作在72MHz，则FLASH的等待周期就 必须设置为2，该设置是通过 FLASH_ACR 寄存器进行的。

比如我们要从地址addr中读取一个半字(16位)数据，则可以通过下行所示代码读取：

1
data = *(vu16*) addr;

该行代码将addr强制转换成vu16类型的指针，然后取该地址所指向的地址的值，即得到了addr地址上所存的值。类似地将 vu16 改成 vu8，即可读取指定地址的一个字节。

闪存的写入与擦除

闪存的写入和擦除操作相对读取操作要复杂一些。

编程

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：

  1. FPEC键寄存器(FLASH_KEYR)

  2. 选择字节键寄存器(FLASH_OPTKEYR)

  3. 闪存控制寄存器(FLASH_CR)

  4. 闪存状态寄存器(FLASH_SR)

  5. 闪存地址寄存器(FLASH_AR)

  6. 选择字节寄存器(FLASH_OBR)

  7. 写保护寄存器(FLASH_WRPR)

其中FPEC键寄存器总共有3个键值：

  1. RDPRT键 = 0X000000A5

  2. KEY1 = 0X45670123

  3. 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(KEY1和KEY2)，STM32闪存编程每次必须写入16位数据，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，写入任何非法数据都会使得FPEC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。在对STM32的FLASH进行编程时，必须要求其写入地址的FLASH是已经被擦除过的(值为0XFFFF)，否则无法写入。STM32的FLASH编程流程为：

  1. 检查FLASH_CR的LOCK是否解锁，如果没有就先解锁

  2. 检查FLASH_SR的BSY位，以确认没有其他正在进行的编程操作

  3. 设置FLASH_CR的PG位为1

  4. 在指定地址写入指定数据

  5. 等待FLASH_SR的BSY位变为0

  6. 读出写入的地址并验证数据

擦除

由于STM32的FLASH写入操作需要保证写入的地址是已经被擦除过的，所以需要再介绍一下FLASH的擦除操作，STM32的FLASH擦除分为：页擦除和整片擦除，页擦除的工作流程为：

  1. 检查FLASH_CR的LOCK是否解锁，如果没有就先解锁

  2. 检查FLASH_SR的BSY位，以确认没有其他正在进行的编程操作

  3. 设置FLASH_CR的PER位为1

  4. 用FLASH_AR选择要擦除的页

  5. 设置FLASH_CR的STRT位为1

  6. 等待FLASH_SR的BSY位变为0

  7. 读出被擦除页并验证

相关寄存器

FLASH_KEYR寄存器

该寄存器各位描述如下所示：

该寄存器主要用于解锁FPEC，必须向该寄存器写入特定的序列(KEY1和KEY2)解锁后，才能够对FLASH_CR寄存器进行写操作。

FLASH_CR寄存器

该寄存器各位描述如下所示：

这里我们只讲解该寄存器的LOCK、STRT、PER和PG共4位。

  1. 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，会被硬件自动清零，在一次不成功的解锁操作后，在下次系统复位前，该位都不会再改变。

  2. STRT位：该位用于开始一次擦除操作，向该位写1将执行一次擦除操作。

  3. PER位：该位用于开始页擦除操作，向该位写1将设置页擦除模式。

  4. PG位：该位用于开始编程操作，向该位写1将设置写FLASH模式。

FLASH_SR寄存器

该寄存器的各位描述如下图所示：

该寄存器主要用于指示当前FPEC的操作编程状态。

FLASH_AR寄存器

该寄存器的各位描述如下图所示：

该寄存器主要用于设置要擦除的页的地址。

固件库操作FLASH

操作FLASH相关的库函数在 FWLib 目录下的 stm32f10x_flash.c 和 stm32f10x_flash.h 中，但是 Breeze Mini 的飞控代码自己封装了一套操作FLASH的函数，在 Drivers 目录下的 stm32f10x_driver_flash.c 和 stm32f10x_driver_flash.h。

硬件连接

操作FLASH属于 Breeze Mini 主微控制器STM32F103TBU6的内部功能，是没有外部电路连接的。

软件设计

参考