STM32FSMC機制FlaSh存儲器擴展
魯東大學(xué) 潘輝
摘要： STM32是ST(意法半導(dǎo)體)公司推出的基于ARM內(nèi)核Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3內(nèi)核是為低功耗和價格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計的，具有突出的能效比和處理速度。通過采用Thumb－2高密度指令集，Cortex－M3內(nèi)核降低了系統(tǒng)存儲要求，同時快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實時性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價比，面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用于工業(yè)控制、智能家電、建筑安防、醫(yī)療設(shè)備以及消費類電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。STM32系列采用一種新型的存儲器擴展技術(shù)——FSMC，在外部存儲器擴展方面具有獨特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴展。
Abstract：
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STM32是ST(意法半導(dǎo)體)公司推出的基于ARM內(nèi)核Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3內(nèi)核是為低功耗和價格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計的，具有突出的能效比和處理速度。通過采用Thumb－2高密度指令集，Cortex－M3內(nèi)核降低了系統(tǒng)存儲要求，同時快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實時性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價比，面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用于工業(yè)控制、智能家電、建筑安防、醫(yī)療設(shè)備以及消費類電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。STM32系列采用一種新型的存儲器擴展技術(shù)——FSMC，在外部存儲器擴展方面具有獨特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴展。
1 FSMC機制
FSMC(Flexihie Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器)是STM32系列中內(nèi)部集成256 KB以上FlaSh，后綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)／地址／控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設(shè)計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。
1．1 FSMC技術(shù)優(yōu)勢
①支持多種靜態(tài)存儲器類型。STM32通過FSMC町以與SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NANDFlash存儲器的引腳直接相連。
②支持豐富的存儲操作方法。FSMC不僅支持多種數(shù)據(jù)寬度的異步讀／寫操作，而且支持對NOR／PSRAM／NAND存儲器的同步突發(fā)訪問方式。
③支持同時擴展多種存儲器。FSMC的映射地址空間中，不同的BANK是獨立的，可用于擴展不同類型的存儲器。當系統(tǒng)中擴展和使用多個外部存儲器時，F(xiàn)SMC會通過總線懸空延遲時間參數(shù)的設(shè)置，防止各存儲器對總線的訪問沖突。
④支持更為廣泛的存儲器型號。通過對FSMC的時間參數(shù)設(shè)置，擴大了系統(tǒng)中可用存儲器的速度范圍，為用戶提供了靈活的存儲芯片選擇空間。
⑤支持代碼從FSMC擴展的外部存儲器中直接運行，而不需要首先調(diào)入內(nèi)部SRAM。
1．2 FSMC內(nèi)部結(jié)構(gòu)
STM32微控制器之所以能夠支持NOR Flash和NAND Flash這兩類訪問方式完全不同的存儲器擴展，是因為FSMC內(nèi)部實際包括NOR Flash和NAND／PC Card兩個控制器，分別支持兩種截然不同的存儲器訪問方式。在STM32內(nèi)部，F(xiàn)SMC的一端通過內(nèi)部高速總線AHB連接到內(nèi)核Cortex－M3，另一端則是面向擴展存儲器的外部總線。內(nèi)核對外部存儲器的訪問信號發(fā)送到AHB總線后，經(jīng)過FSMC轉(zhuǎn)換為符合外部存儲器通信規(guī)約的信號，送到外部存儲器的相應(yīng)引腳，實現(xiàn)內(nèi)核與外部存儲器之間的數(shù)據(jù)交互。FSMC起到橋梁作用，既能夠進行信號類型的轉(zhuǎn)換，又能夠進行信號寬度和時序的調(diào)整，屏蔽掉不同存儲類型的差異，使之對內(nèi)核而言沒有區(qū)別。
1．3 FSMC映射地址空間
FSMC管理1 GB的映射地址空間。該空間劃分為4個大小為256 MB的BANK，每個BANK又劃分為4個64 MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2個控制器管理的映射地址空間不同。NOR Flash控制器管理第1個BANK，NAND／PC Card控制器管理第2～4個BANK。由于兩個控制器管理的存儲器類型不同，擴展時應(yīng)根據(jù)選用的存儲設(shè)備類型確定其映射位置。其中，BANK1的4個子BANK擁有獨立的片選線和控制寄存器，可分別擴展一個獨立的存儲設(shè)備，而BANK2～BANK4只有一組控制寄存器。
2 FSMC擴展NOR Flash配置
SRAM／ROM、NOR Flash和PSRAM類型的外部存儲器都是由FSMC的NOR Flash控制器管理的，擴展方法基本相同，其中NOR Flash最為復(fù)雜。通過FSMC擴展外部存儲器時，除了傳統(tǒng)存儲器擴展所需要的硬件電路外，還需要進行FSMC初始化配置。FSMC提供大量、細致的可編程參數(shù)，以便能夠靈活地進行各種不同類型、不同速度的存儲器擴展。外部存儲器能否正常工作的關(guān)鍵在于：用戶能否根據(jù)選用的存儲器型號，對配置寄存器進行合理的初始化配置。
(1)確定映射地址空間
根據(jù)選用的存儲器類型確定擴展使用的映射地址空間。NOR Flash只能選用BANK1中的4個子BANK。選定映射子BANK后，即可確定以下2方面內(nèi)容：
①硬件電路中用于選中該存儲器的片選線FSMC_NEi(i為子BANK號，i=1，…，4)；
②FSMC配置中用于配置該外部存儲器的特殊功能寄存器號(如表1所列)。
(2)配置存儲器基本特征
通過對FSMC特殊功能寄存器FSMC_BCRi(i為子BANK號，i=1，…，4)中對應(yīng)控制位的設(shè)置，F(xiàn)SMC根據(jù)不同存儲器特征可靈活地進行工作方式和信號的調(diào)整。根據(jù)選用的存儲器芯片確定需要配置的存儲器特征，主要包括以下方面：
①存儲器類型(MTYPE)是SRAM／ROM、PSRAM，還是NOR FlaSh；
②存儲芯片的地址和數(shù)據(jù)引腳是否復(fù)用(MUXEN)，F(xiàn)SMC可以直接與AD0～AD15復(fù)用的存儲器相連，不需要增加外部器件；
③存儲芯片的數(shù)據(jù)線寬度(MWID)，F(xiàn)SMC支持8位／16位兩種外部數(shù)據(jù)總線寬度；
④對于NOR Flash(PSRAM)，是否采用同步突發(fā)訪問方式(B URSTEN)；
⑤對于NOR Flash(PSRAM)，NWAIT信號的特性說明(WAITEN、WAITCFG、WAITPOL)；
⑥對于該存儲芯片的讀／寫操作，是否采用相同的時序參數(shù)來確定時序關(guān)系(EXTMOD)。
(3)配置存儲器時序參數(shù)
FSMC通過使用可編程的存儲器時序參數(shù)寄存器，拓寬了可選用的外部存儲器的速度范圍。FSMC的NORFlash控制器支持同步和異步突發(fā)兩種訪問方式。選用同步突發(fā)訪問方式時，F(xiàn)SMC將HCLK(系統(tǒng)時鐘)分頻后，發(fā)送給外部存儲器作為同步時鐘信號FSMC_CLK。此時需要的設(shè)置的時間參數(shù)有2個：
①HCLK與FSMC_CLK的分頻系數(shù)(CLKDIV)，可以為2～16分頻；
②同步突發(fā)訪問中獲得第1個數(shù)據(jù)所需要的等待延遲(DATLAT)。
對于異步突發(fā)訪問方式，F(xiàn)SMC主要設(shè)置3個時間參數(shù)：地址建立時間(ADDSET)、數(shù)據(jù)建立時間(DATAST)和地址保持時間(ADDHLD)。FSMC綜合了SRAM／ROM、PSRAM和NOR Flash產(chǎn)品的信號特點，定義了4種不同的異步時序模型。選用不同的時序模型時，需要設(shè)置不同的時序參數(shù)，如表2所列。在實際擴展時，根據(jù)選用存儲器的特征確定時序模型，從而確定各時間參數(shù)與存儲器讀／寫周期參數(shù)指標之間的計算關(guān)系；利用該計算關(guān)系和存儲芯片數(shù)據(jù)手冊中給定的參數(shù)指標，可計算出FSMC所需要的各時間參數(shù)，從而對時間參數(shù)寄存器進行合理的配置。
3 STM2擴展S29GL系列NOR Flash實例
3．1 S29GL系列NOR Flash簡介
Spansion公司的S29GL系列芯片是采用90nm技術(shù)制造的高集成度NOR Flash存儲芯片，提供16～128 MB可選容量，支持最快25 ns的頁訪問速度和11O ns的隨機訪問速度，帶有最大64字節(jié)的寫緩沖區(qū)，以提供更快、更高效的編程，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中大容量存儲器擴展的理想選擇。本文選用的型號為S29GL512P，容量為512×64K字(總?cè)萘?4 MB)，擴展到NOR Flash控制器管理的BANK1的第2個子BANK。
3．2 STM32與S29GL512P的電路連接
S25GL512P可通過控制引腳BYTE選擇對芯片的訪問單位(字／字節(jié))，區(qū)別在于：
①對于芯片引腳DQ15，字模式時傳送最高數(shù)據(jù)位D15；字節(jié)模式時傳送最低地址A-1。
②字模式時，數(shù)據(jù)引腳D0～D15上傳送數(shù)據(jù)信號；字節(jié)模式時，只有D0～D7上有信號。
此處，將BYTE上拉到高電平，選擇16位的字訪問單位。FSMC數(shù)據(jù)線FSMC_D[15：0]與S29GL512P的D15～D0對應(yīng)連接；FSMC地址線FSMC_A[25：0]的低25根與S29GL512P的地址線A[24：0]對應(yīng)連接。
由于S29GL512P芯片映射到BANK1的子BANK2，可確定其片選線應(yīng)連接FSMC片選控制線FSMC_NE2。S29GL512P的RY／BY引腳連接FSMC的FSMC_NWAIT引腳，提供等待信號。
3．3 FSMC的配置
根據(jù)S29GL512P的映射位置，需要對FSMC_BCR2和FSMC_BTR2／BWTR2寄存器進行配置。
(1)FSMC_BCR2
配置S29GL512P的讀／寫采用統(tǒng)一時間參數(shù)，只需要設(shè)置時間寄存器FSMC_BTR2。配置存儲器類型為NORFlash，數(shù)據(jù)總線寬度為16位(字)，不采用地址／數(shù)據(jù)復(fù)用，使能BANK1的子BANK2。
(2)FSMC_BTR2
由表2可知，異步NOR Flash時序模型Mode2／B需要設(shè)置時間參數(shù)DATAST和ADDSET。根據(jù)時序圖，兩個參數(shù)的計算公式如下：
式中：Twc和Trc為所選存儲芯片的寫周期長度和讀操作周期長度；Twp為所選存儲芯片的寫信號持續(xù)長度。根據(jù)S29GL512P用戶手冊，可知參數(shù)Twc=Trc=130 ns，Twp=35 ns。設(shè)STM32微控制器采用72 MHz主頻，則HCLK=(1／72×10-6)s。通過上述公式計算，可取值為：DATAST=2，ADDSET=5。
為了達到更好的控制效果，還應(yīng)考慮FSMC自身延遲問題，使用校正公式：
式中：TAVQV為所選存儲芯片訪問過程中，從地址有效至數(shù)據(jù)有效的時間域；Tsu(Data_NE)為STM32特征參數(shù)，從數(shù)據(jù)有效到FSMC_NE(片選)失效時間域；Ttv(A_NE)為STM32特征參數(shù)，從FSMC_NE有效至地址有效的時間域。
TAVQV=130 ns，Tsu(Data_NE)+Ttv(A_NE]=36 ns，對DATAST參數(shù)進行校正，可得DATAST=3。
3．4 應(yīng)用STM32固件對FSMC進行初始化配置
ST公司為用戶開發(fā)提供了完整、高效的工具和固件庫，其中使用C語言編寫的固件庫提供了覆蓋所有標準外設(shè)的函數(shù)，使用戶無需使用匯編操作外設(shè)特性，從而提高了程序的可讀性和易維護性。
STM32固件庫中提供的FSMC的NOR Flash控制器操作固件，主要包括2個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和3個函數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef對應(yīng)時間參數(shù)寄存器FSMC_BTR和FSMC_BWTR的結(jié)構(gòu)定義；
FSMC_NORSRAMinitTypeDef對應(yīng)特征配置寄存器FSMC_BCR的結(jié)構(gòu)定義，并包含2個指向?qū)?yīng)BANK的FSMC_BTR和FSMC_BWTR寄存器的FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef結(jié)構(gòu)指針。針對上述S29GL512P芯片擴展要求，利用固件庫進行的主要初始化操作如下：
結(jié) 語
STM32作為新一代ARM Cortex-M3核處理器，其卓越的性能和功耗控制能夠適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；而其特殊的可變靜態(tài)存儲技術(shù)FSMC具有高度的靈活性，對于存儲容量要求較高的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴展多種不同類型和容量的存儲芯片，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。
來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)
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