【正点原子探索者STM32F407开发板】第39章 FLASH模拟EEPROM实验

​第三十九章 FLASH模拟EEPROM实验

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STM32F4本身没有自带EEPROM，但是STM32F4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STM32F4内部的FLASH来实现第三十章实验类似的效果，不过这次我们是将数据直接存放在STM32F4内部，而不是存放在W25Q128。本章分为如下几个部分：

39.1 STM32F4 FLASH简介

39.2 硬件设计

39.3 软件设计

39.4 下载验证

39.1 STM32F4 FLASH简介

不同型号的STM32F40xx/41xx，其FLASH容量也有所不同，最小的只有128K字节，最大的则达到了1024K字节。探索者STM32F4开发板选择的STM32F407ZGT6的FLASH容量为1024K字节，STM32F40xx/41xx的闪存模块组织如图39.1.1所示：

图39.1.1 大容量产品闪存模块组织

STM32F4的闪存模块由：主存储器、系统存储器、OPT区域和选项字节等4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）。分为12个扇区，前4个扇区为16KB大小，然后扇区4是64KB大小，扇区5~11是128K大小，不同容量的STM32F4，拥有的扇区数不一样，比如我们的STM32F407ZGT6，则拥有全部12个扇区。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。

系统存储器，这个主要用来存放STM32F4的bootloader代码，此代码是出厂的时候就固化在STM32F4里面了，专门来给主存储器下载代码的。当B0接V3.3，B1接GND的时候，从该存储器启动（即进入串口下载模式）。

OTP区域，即一次性可编程区域，共528字节，被分成两个部分，前面512字节（32字节为1块，分成16块），可以用来存储一些用户数据（一次性的，写完一次，永远不可以擦除！！），后面16字节，用于锁定对应块。

选项字节，用于配置读保护、BOR级别、软件/硬件看门狗以及器件处于待机或停止模式下的复位。

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。

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

STM32F4可通过内部的I-Code指令总线或D-Code数据总线访问内置闪存模块，本章我们主要讲解数据读写，即通过D-Code数据总线来访问内部闪存模块。 为了准确读取 Flash 数据，必须根据 CPU 时钟 (HCLK) 频率和器件电源电压在 Flash 存取控制寄存器 (FLASH_ACR) 中正确地设置等待周期数 (LATENCY)。当电源电压低于2.1V 时，必须关闭预取缓冲器。Flash 等待周期与CPU时钟频率之间的对应关系，如表39.1.1所示：

表39.1.1 CPU时钟（HCLK）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16M RC振荡器，LATENCY默认是0，即1个等待周期。供电电压，我们一般是3.3V，所以，在我们设置168Mhz频率作为CPU时钟之前，必须先设置LATENCY为5，否则FLASH读写可能出错，导致死机。

正常工作时（168Mhz），虽然FLASH需要6个CPU等待周期，但是由于STM32F4具有自适应实时存储器加速器(ART Accelerator)，通过指令缓存存储器，预取指令，实现相当于0 FLASH等待的运行速度。关于自适应实时存储器加速器的详细介绍，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》3.4.2节。

STM23F4的FLASH读取是很简单的。例如，我们要从地址addr，读取一个字（字节为8位，半字为16位，字为32位），可以通过如下的语句读取：

data=*(vu32*)addr;

将addr强制转换为vu32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vu32改为vu16，即可读取指定地址的一个半字。相对FLASH读取来说，STM32F4 FLASH的写就复杂一点了，下面我们介绍STM32F4闪存的编程和擦除。

闪存的编程和擦除

执行任何Flash编程操作（擦除或编程）时，CPU时钟频率 (HCLK)不能低于1 MHz。如果在Flash操作期间发生器件复位，无法保证Flash中的内容。

在对 STM32F4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。

STM32F4的闪存编程由6个32位寄存器控制，他们分别是：

l  FLASH访问控制寄存器(FLASH_ACR)

l  FLASH秘钥寄存器(FLASH_KEYR)

l  FLASH选项秘钥寄存器(FLASH_OPTKEYR)

l  FLASH状态寄存器(FLASH_SR)

l  FLASH控制寄存器(FLASH_CR)

l  FLASH选项控制寄存器(FLASH_OPTCR)

STM32F4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：

1，  写0X45670123到FLASH_KEYR

2，  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。

STM32F4闪存的编程位数可以通过FLASH_CR的PSIZE字段配置，PSIZE的设置必须和电源电压匹配，见表：39.1.2：

表39.1.2 编程/擦除并行位数与电压关系表

由于我们开发板用的电压是3.3V，所以PSIZE必须设置为10，即32位并行位数。擦除或者编程，都必须以32位为基础进行。

STM32F4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。STM32F4的标准编程步骤如下：

1，检查FLASH_SR中的BSY位，确保当前未执行任何FLASH操作。

2，将FLASH_CR寄存器中的PG位置1，激活FLASH编程。

3，针对所需存储器地址（主存储器块或OTP区域内）执行数据写入操作：

—并行位数为x8时按字节写入（PSIZE=00）

—并行位数为x16时按半字写入（PSIZE=01）

—并行位数为x32时按字写入（PSIZE=02）

—并行位数为x64时按双字写入（PSIZE=03）

4，等待BSY位清零，完成一次编程。

按以上四步操作，就可以完成一次FLASH编程。不过有几点要注意：1，编程前，要确保要写如地址的FLASH已经擦除。2，要先解锁（否则不能操作FLASH_CR）。3，编程操作对OPT区域也有效，方法一模一样。

我们在STM32F4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STM32F4的闪存擦除，STM32F4的闪存擦除分为两种：扇区擦除和整片擦除。

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，并从主存储块的12个扇区中选择要擦除的

扇区 (SNB)

4，将FLASH_CR寄存器中的STRT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STM32F4的扇区擦除功能，整片擦除功能我们在这里就不介绍了，想了解的朋友可以看《STM32F4xx中文参考手册》第3.5.3节。

通过以上了解，我们基本上知道了STM32F4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FLASH访问控制寄存器：FLASH_ACR。该寄存器各位描述如图39.1.2所示：

图39.1.2 FLASH_ACR寄存器各位描述

       这里，我们重点看LATENCY[2:0]这三个位，这三个位，必须根据我们MCU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39.1.1。其他DCEN、ICEN和PRFTEN这三个位也比较重要，为了达到最佳性能，这三个位我们一般都设置为1即可。

第二个介绍的是FLASH秘钥寄存器：FLASH_KEYR。该寄存器各位描述如图39.1.3所示：

图39.1.3 FLASH_KEYR寄存器各位描述

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。

第三个要介绍的是FLASH控制寄存器：FLASH_CR。该寄存器的各位描述如图39.1.4所示：

图39.1.4 FLASH_CR寄存器各位描述

       该寄存器我们本章只用到了它的LOCK、STRT、PSIZE[1:0]、SNB[3:0]、SER和PG等位。

       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。

       PSIZE[1:0]位，用于设置编程宽度，3.3V时，我们设置PSIZE =2即可。

SNB[3:0]位，这4个位用于选择要擦除的扇区编号，取值范围为0~11。

       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。

       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《STM32F4xx中文参考手册》第3.8.5节。

       最后要介绍的是FLASH状态寄存器：FLASH_SR。该寄存器各位描述如图39.1.5所示：

图39.1.5 FLASH_SR寄存器各位描述

       该寄存器我们主要用了其BSY位，当该位位1时，表示正在执行FLASH操作。当该位为0时，表示当前未执行任何FLASH操作。

       关于STM32F4 FLASH的介绍，我们就介绍到这。更详细的介绍，请参考《STM32F4xx中文参考手册》第三章。下面我们讲解使用STM32F4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stm32f4xx_flash.c以及stm32f4xx_flash.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：

void FLASH_Unlock(void)；

同样的道理，在对FLASH写操作完成之后，我们要锁定FLASH，使用的库函数是：

void FLASH_Lock(void)；

2）写操作函数

固件库提供了四个FLASH写函数：

FLASH_Status FLASH_ProgramDoubleWord(uint32_t Address, uint64_t Data);

FLASH_Status FLASH_ProgramWord(uint32_t Address, uint32_t Data);

FLASH_Status FLASH_ProgramHalfWord(uint32_t Address, uint16_t Data);

FLASH_Status FLASH_ProgramByte(uint32_t Address, uint8_t Data);

这几个函数从名字上面还是比较好理解意思，分别为写入双字，字，半字，字节的函数。这些函数的内部实现过程，实际就是按照我们39.1讲解的编程步骤来实现的。有兴趣的同学可以进入函数体看看，这样会加深理解。

3）擦除函数

固件库提供四个FLASH擦除函数：

FLASH_Status FLASH_EraseSector(uint32_t FLASH_Sector, uint8_t VoltageRange);

FLASH_Status FLASH_EraseAllSectors(uint8_t VoltageRange);

FLASH_Status FLASH_EraseAllBank1Sectors(uint8_t VoltageRange);

FLASH_Status FLASH_EraseAllBank2Sectors(uint8_t VoltageRange);

       对于前面两个函数比较好理解，一个是用来擦除某个Sector，一个使用来擦除全部的sectors。对于第三个和第四个函数，这里的话主要是针对STM32F42X系列和STM32F43X系列芯片而言的，因为它们将所有的sectors分为两个bank。所以这两个函数用来擦除2个bank下的sectors的。第一个参数取值范围在固件库有相关宏定义标识符已经定义好，为FLASH_Sector_0~FLASH_Sector_11（对于我们使用的STM32F407最大是FLASH_Sector_11），对于这些函数的第二个参数，我们这里电源电压范围是3.3V，所以选择VoltageRange_3即可。

4）获取FLASH状态

获取FLASH状态主要调用的函数是：

FLASH_Status FLASH_GetStatus(void)；

返回值是通过枚举类型定义的：

typedef enum

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