「正点原子STM32Mini板资料连载」第三十一章 FLASH 模拟 实验

本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-4-13 11:31 编辑

1）实验平台：正点原子STM32mini开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十一章 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
十五章类似的效果，不过这次我们是将数据直接存放在 STM32 内部，而不是存放在 W25Q64。
本章分为如下几个部分：
31.1 STM32 FLASH 简介
31.2 硬件设计
31.3 软件设计
31.4 下载验证
31.1 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。MiniSTM32 开发板选择的 STM32F103RCT6 的 FLASH 容量为 256K 字节，属于大容量产品（另外还有中容量和小容量产品），大容量产品的闪存模块组织如图 31.1.1 所示：

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，小容量和中容量产品则每页只有 1K 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 31.1.2 所示：

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 31.1.3 所示

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 31.1.4 所示：

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 31.1.5 所示：

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 31.1.6 所示：

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 31.1.7 所示：

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 STM32F1 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源文件 stm32f1xx_hal_flash.c/stm32f1xx_hal_flash_ex.c 以及头文件
stm32f1xx_hal_flash.h/stm32f1xx_hal_flash_ex.h 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）,HAL 库实现很简单：
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_BYTE（字节：8 位），FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD（半
字 ： 16
位 ） ， FLASH_TYPEPROGRAM_WORD （ 字 ： 32
位）和
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 HAL_FLASHEx_Erase，该函数声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit,
uint32_t *SectorError);
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; //擦除页面地址
uint32_t NbPages; //擦除的页面数
} 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 下面的所有 Page，那么需要选择 FLASH_TYPEERASE_MASSERASE。
成员变量 Banks 用来设置要擦除的 Bank 编号，这个只有设置为批量擦除的时候才有效。成员
变量 PageAddress 用来设置要擦除页面的地址。成员变量 NbPages 用来设置要擦除的页面数。
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；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。所以在每次操作之前，
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 中在对 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半个字节的函数：
//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;
}
31.2 硬件设计
本章实验功能简介：开机的时候先显示一些提示信息，然后在主循环里面检测两个按键，
其中 1 个按键（WK_UP）用来执行写入 FLASH 的操作，另外一个按键（KEY0）用来执行读
出操作，在 TFTLCD 模块上显示相关信息。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
2） WK_UP 和 KEY0 按键
3） TFTLCD 模块
4） 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。
31.3 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
stmflash.h。同时我们还引入了 HAL 库 flash 操作文件 stm32f1xx_hal_flash.c 和头文件
stm32f1xx_hal_flash.h。
打开 stmflash.c 文件，代码如下：
extern void FLASH_PageErase(uint32_t PageAddress);
//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 //校验数据
{
if(STMFLASH_BUF[secoff+i]!=0XFFFF)break;//需要擦除
}
if(i //需要擦除
{
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
}
该部分代码，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 25 章的 SPI_Flash_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，
MiniSTM32 开发板的 FLASH 是 256K 字节，所以 STM_SECTOR_SIZE 的值为 256，故该数组
大小为 2K 字节。其他函数我们就不做介绍了，最后我们打开 main.c 文件，代码如下：
//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 0X08020000
//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=0;
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
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按键
LCD_Init();
//初始化 LCD
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"FLASH EEPROM TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2019/11/15");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write KEY0:Read");
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY1_PRES) //KEY1 按下,写入 STM32 FLASH
{
LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write FLASH....");
STMFLASH_Write(FLASH_SAVE_ADDR,(u16*)TEXT_Buffer,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"FLASH Write Finished!");//提示传送完成
}
if(key==KEY0_PRES) //KEY0 按下,读取字符串并显示
{
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read FLASH.... ");
STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR,(u16*)datatemp,SIZE);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20)
{
LED0=!LED0;//提示系统正在运行
i=0;
}
}
}
至此，我们的软件设计部分就结束了。
31.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，通过先按WK_UP 按键写入数据，然后按 KEY0 读取数据，得到如图 31.4.1 所示：

图 31.4.1 程序运行效果图

伴随 DS0 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 和 Test_Write 两个函数，即可通过 USMART 调用这两个函数，实现 STM32 内部任意地址的读写（一次读写一个 16 位数据）。