江科大笔记—FLASH闪存

FLASH闪存

程序现象:
1、读写内部FLASH
这个代码的目的,就是利用内部flash程序存储器的剩余空间,来存储一些掉电不丢失的参数。所以这里的程序是按下K1变换一下测试数据,然后存储到内部FLASH,按下K2把所有参数清0,最后OIED显示一下。
这里OLED显示Flag、Data 。Flag当做标志位,内容定义为:A5A5。Flag作用:判断之前是不是存储过数据,如果存储过,直接读取;如没有存储过,就先初始化。
Data:是要掉电存储的数据。
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2,读取芯片ID
在stm32里,指定地址下,存储有原厂写入的ID号,使用指针的方式读取,就可以得到ID号。
OLED可以看到,有2个ID号:第一个是F_SIZE,表示芯片FLASH容量。0040表示FLASH容量,单位是KB,换成十进制是64KB。
第二个是U_ID,是96位芯片唯一ID号,每个芯片ID号都不一样。
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STM32内部FLASH闪存简介

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读写FLASH的用途:
利用程序存储器的剩余空间来保存掉电不丢失的用户数据
通过在程序中编程(IAP),实现程序的自我更新

  • 第一个用途,对于我们这个C8T6芯片来说,它的程序存储器容量是64K,一般我们写个简单的程序,可能就只占前面的很小一部分空间,剩下的大片空余空间我们就可以加以利用,比如存储一些我们自定义的数据,而且可以充分利用资源。不过这里要注意我们在选取存储区域时,一定不要覆盖了原有的程序,要不然程序自己把自己给破坏了,一般存储少量的参数,我们就选最后几页存储就行了、

    第二个用途,通过在程序中编程IAP,实现程序的自我更新。我们在存储用户数据时要避开程序本身,以免破坏程序,但如果我们就非要修改程序本身,这会发生什么呢,在程序中编程,利用程序来修改程序本身,实现程序的自我更新,这个在程序中编程就是IAP,是用来实现程序升级的。

在线编程( ICP):这个JTAG SWD就是仿真器下载程序,每次下载都是把整个程序完全更新掉,那系统加载程序就是系统存储器的BOOTLOADER,也就是串口下载,串口下载也是更新整个程序,这就是我们一直在用的ICP下载方式。

  • 在程序中编程( IAP),它可以使用微控制器支持的任意一种通信接口下载程序。实现过程:

    比如这是整个程序存储器,我们首先需要自己写一个BOOTLOADER程序,并且存放在程序更新时不会覆盖的地方,然后需要更新程序时,我们控制程序跳转到这BOOTLOADER这里来,在这里面我们就可以接收任意一种通讯接口传过来的数据,比如串口、USB、蓝牙转串口、WIFI转串口等等,这个传过来的数据就是待更新的程序,然后我们控制flash读写,把收到的程序写入到前面程序正常运行的地方,写完之后再控制程序跳转回正常运行的地方,或者直接复位,这样程序就完成了自我升级。

区别:IAP就是和系统存储器这个的BOOTLOADER一样。系统存储器的BOOTLOADER,只能配置boot引脚触发启动。而我们自己写BOOTLOADER的话,就可以想怎么收怎么收,并且在整个升级过程,程序都可以自主完成。

回顾一下存储器影像

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闪存模块组织

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C8T6芯片的闪存容量是64K,属于中容量产品。

  • 这里分为了三个块,第一个是主存储器,也是程序存储器,用来存放程序代码的,这是最主要也是容量最大的一块。

    第二个是信息块,里面又可以分为启动程序代码和用户选择字节,其中启动程序代码就是系统存储器,存放的是原厂写入BOOTLOADER用于串口下载。

    第三块是闪存存储器接口寄存器,这一块的存储器实际上并不属于闪存,地址都是40开头的,说明这个存储器接口寄存器就是一个普通的外设,和之前讲的GPIO定时器、串口等等都是一个性质的东西,这些存储器它们的存储介质也都是SRAM。

    这个闪存存储器接口寄存器,就上面主存储器和信息块的管理员,闪存存储器接口寄存器就是用来控制擦除和编程这个过程的。

  • 对于主存储器,这里对它进行了分页,分页是为了更好的管理闪存,擦除和写保护都是以页为单位的。这点和之前W25Q64芯片的闪存一样,写入前必须擦除,擦除必须以最小单位进行,擦除后数据位全变为1,数据只能1写0,不能0写1,擦除和写入之后都需要等待忙,这些都是一样的。

    这里就比较简单了,它只有一个基本单位就是页,每一页的大小都是1K,0到127总共128页,总量就是128K,对于C8T6来说,它只有64K,所以C8T6的页只有一半0~63总共64页共64K,然后看一下页的地址范围。
    所以地址只要以000、400、800、400,结尾的都一定是页的起始地址。

FLASH基本结构

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  • 整个闪存分为程序存储器、系统存储器和选项字节三部分,这里程序存储器为以C8T6为例,它是64K的,所以总共只有64页,最后一页的起始地址是0800FC00。

    左边这里是闪存存储器接口,手册里还有个名称,闪存编程和擦除控制器LPEC。

    然后闪存存储器接口,可以对程序存储器进行擦除和编程,也可以对选项字节进行擦除和编程,系统存储器是不能擦除和编程的。

    这个选项字节里面有很大一部分配置位,其实是配置主程序存储器的读写保护的,所以右边画的写入选项字节,可以配置程序存储器的读写保护。

如何操作这个控制器FPEC,来对程序存储器和选项字节进行擦除和编程。

FLASH解锁
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  • 首先第一步是flash解锁,这个flash操作之前需要解锁,目的都是为了防止误操作,是通过在键寄存器写入指定的键值来实现,使用键寄存容器的好处就是更能防止误操作,每一个指令必须输密码才能完成,叫密钥寄存器。

    首先FPEC共有三个键值,也就是三把开锁的钥匙,RDPRT键是解除读保护的密钥,值是0XA5这些值呢,实际上是随便定义的,只要你定义的不是很简单就行。

  • 解锁:第一个是复位后FPEC被保护,不能写入FLASH_CR:也就是复位后flash默认是锁着的。

    在FLASH_KEYR键寄存器中,先写入KEY1,再写入KEY2解锁,这个锁是KEYR寄存器,所以这个有两道锁,解锁的话,要先用K1钥匙解,再用K2钥匙解,最终才能解锁成功,所以非人为情况下基本不可能解锁。

    然后,就是错误的操作序列会在下次复位前锁死FPEC和FLASH_CR:于是他发现有程序在尝试撬锁时,一旦没有先写入KEY1,再写入KEY2,整个模块就会完全锁死,除非复位,这是整个解锁操作。

  • 加锁:我们操作完成之后,要尽快把flash重新加锁,以防止意外情况,加锁的操作是设置FLASH_CR中的LOCK位锁住FPEC和FLASH_CR:就是控制寄存器里面有个LOCK位,我们在这一位写1就能重新锁住闪存。

使用指针访问存储器

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uint16_t Data = *((__IO uint16_t *)(0x08000000));

第一步,读取给定存储器器的地址,比如0x08000000例,读取这个地址下的数据。

第二步,在地址前面加上强制类型转换,转换成uint16_t * 。__IO 在stm32库函数中,这是宏定义。
#define __IO volatile,这个宏定义对应C语言关键字, volatile。在uint16_t *数据类型前加volatile,起一个保障作用,目的是,防止编译器优化。

第三步,使用*号,指针取内容,把这个指针指向的存储器取出来了,这个值就是指定存储器的值,取出来可以把它赋值给自定义变量Data,这样就完成指定地址读的任务。

如果你这个地址写的是SRAM的地址,比如0X20000000,那可以直接写入了,因为SRAM在程序运行时是可读可写的,这是使用指针访问存储器的C语言代码。其中读取可以直接读,写入需要解锁,并且执行后面的流程。

程序存储器全擦除

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第一步是读取lock位,看一下芯片锁没锁,如果lock位=1锁住了,就执行解锁过程,解锁过程就是:在KEYR寄存器先写入KEY1,再写入KEY2;如果lock位=0当前没锁住,就不用解锁了。这是流程图里给的解锁步骤,如果锁住了就解锁,如果没锁住就不用解锁。但是在库函数中并没有这个判断,库函数是直接执行解锁过程,管你锁没锁都执行解锁。

第二步,然后继续解锁之后,首先置控制寄存器里的MER(Mass Erase)位为1,然后再置STRT(Start)位为1,其中STRT为1是触发条件,STRT为1之后芯片开始干活,然后现在看到MER位是1,它就知道接下来要干的活就是全擦除,这样内部电路就会自动执行全擦除的过程。

第三步,然后继续擦除,擦除过程开始后,程序要执行等待,判断状态寄存器的BSY(Busy)位是否为1,BSY位表示芯片是否处于忙状态,BSY位为1表示芯片忙,所以这里如果判断BSY位等于1,就跳转回来继续循环判断,直到BSY位=0跳出循环。

第四步:读出并验证所有页的数据,这个是测试程序才要做的,如要全读出来验证一下,这个工作量太大了,所以这里的最后一步就不管了,正常情况下全删除完成了,我们默认就成功了,这是全擦除的流程。

程序存储器页擦除

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第一步,是解锁的流程。

第二步,这个方框里的,置控寄存器的PER(Page Erase)位为1;在AR(Address Register)地址寄存器中选择要擦除的页,最后置控制寄存器的STRT位为1,置STRT位为1,也是触发条件,芯片开始干活,然后芯片看到PER等于1,它就知道接下来要执行页擦除。
然后闪存不止一页,页擦除芯片就要知道要具体擦哪一页,所以它会继续看AR寄存器的数据,AR寄存器我们要提前写入一个页的起始地址,这样芯片就会把我们指定的一页给擦除掉。

第三步,然后擦除开始之后,我们也要等待BSY位,最后读出并验证数据。

程序存储器编程

闪存的写入
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闪存的写入:擦除之后我们就可以执行写入的流程了,另外说明一下,STM32的闪存,在写入之前会检查指定地址有没有擦除,如果没有擦除就写入STM32则不执行写入操作,除非写入的全是0,这个数据是例外,因为不擦除就写入,可能会写入错误。

第一步,是解锁。

第二步,置控制寄存器的PG(Programming)位为1,表示我们即将写入数据。

第三步,在指定的地址写入半字,这一步我们需要*((__IO uint16_t *)(0x08000000)) = 0x1234;使用指针在指定地址写入数据。

  • 注意:写入操作只能以半字的形式写入,在STM32中有几个术语,字、半字和字节,其中字word就是32位数据,半字half word就是16位数据,字节byte就是8位数据。那这里只能以半字写入,意思就是只能以16位的形式写入,一次性,写入两个字节,如果你要写入32位,就分两次完成。

    如果你只要写入8位,比较麻烦了,如果你想单独写入一个字节,还要保留另一个字节的原始数据的话,那只能把整页数据都读到SRAM,再随意修改SRAM数据,修改全部完成之后,再把整页都擦除,最后再把整页都写回去。

    所以如果你想像SRAM一样随心所欲的读写,那最好的办法就,先把闪存的一页读到SRAM中,读写完成后再擦除一页,整体写回去。

第四步,写了半字之后,芯片会处于忙状态,我们等待一下BUSY清0,这样写入数据的过程就完成。那每执行这样一个流程,只能写入一个半字,如果要写出很多数据,要不断循环调用这个流程就可以。

选项字节

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图里的起始地址,就是选项字节的起始地址,1FFF800,这块的这些数据,就前面这里这个表的这一行,里面总共只有16个字节,把这些存储器给展开,就这个图。

  • 这里是对应的16个字节,其中有一半的名称前面都带了个N,比如RDP和nRDP
    ,USER和nUSER等,意思,是你在写入RDP数据时,要同时在NRDP写入数据的反码,要在带N的对应的存储器写入反码,这样写入操作才是有效的。

    如果芯片检测到,这两个存储器不是反码的关系,那就代表数据无效有错误,对应的功能就不执行,这是一个安全保障措施。但这个写入反码的过程,硬件会自动计算并写入。

那然后每个存储器的功能,去掉所有带n的,剩下八个字节存储器

  • 第一个RDP(Read Protect)是,读保护配置位,解释,在RDP存储器写入RDPRT键,然后解除读保护,如果RDP不是A5,那闪存就是读保护状态,无法通过调试器读取程序,避免程序被别人窃取。

    第二个字节USER,可以配置硬件看门狗和进入停机待机模式是否产生复位。

    第三个和第四个字节Data0/1,这个在芯片中没有定义功能,用户可自定义使用。

    最后四个字节,WRP(WriteProtect)0、1、2、3这四个字节配置的是写保护,在中容量产品里是每一个位对应保护四个存储页,四个字节总共32位,一位对应保护四页,总共保护32×4等于128页,正好对应中容量量的最大128页。

小容量产品
手册2.5选项字节说明
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对于小容量产品,也是每一位对应保护四个存储页,但小容量产品最大只有32K,所以只需要一个字节WRP0就行,4×8=32,其他三个字节没用到。

大容量产品
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然而对于大容量产品,每一个位只能保护两个存储页,这样的话四个字节就不够用了,所以这里规定WRP3的最高位,这一位直接把剩下的所有页一起都保护了,这是写保护的定义。

选项字节擦除

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选项字节擦除:
第一步,其实也是解锁闪存,这里文字并没有写。

第二步,这里文字版的流程多了一步,检查SR的BSY位,以确认没有其他正在进行的闪存操作,这个实际上就是事前等待,如果当前已经在忙了,我先等一下。

第三步,解锁CR的OPTWRE(Option Write Enable)位,这一步是选项字节的解锁,选项字节里面还有一个单独的锁,在解锁闪存后,还需要再解锁选项字节的锁,之后才能操作选项字节。

解锁选项字节:看(前面闪存模块组织图),整个闪存的锁是KEYR,里面选项字节的小锁是下面的OPTKEYR(Option Key Register),解锁这个小锁也是类似的流程,我们需要在OPTKEYR里先写入KEY1,再写入KEY2,这样就能解锁选项字节的小锁了。

第四步,继续解除小锁之后,设置CR的OPTER(Option Erase)位为1,表示即将擦除选项字节。

第五步,设置CR的STRT位为1,触发芯片开始干活,这样芯片就会启动擦除选项字节的工作。

第六步,之后等待BUSY位变为0,擦除选项字节就完成了。
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选项字节编程

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先检测BSY,
然后解除小锁,
之后设置CR的OPTPG(Option Programming)位为1,表示即将写入选项字节,
再之后写入要编程的半字到指定的地址,这个是指针写入操作,
最后等待忙,这样写入选项字节就完成了。

器件电子签名

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电子签名其实就是STM32的ID号,它的存放区域是系统存储器,它不仅有BOOTLOADER程序,还有几个字节的ID号,系统存储器起始地址是1FFFF000。

  • 第一个是闪存容量存储器,基地址是1FFF
    F7E0,通过地址也可以确定它的位置,就是系统存储器,这个存储器的大小是16位,它的值就是闪存的容量单位是KB。

    第二个是产品唯一身份标识寄存器,就是每个芯片的身份证号,这个数据存放的基地址是1FFFF7E8,大小是96位,每一个芯片的这96位数据,都是不一样的。
    使用这个唯一ID号,可以做一些加密的操作:比如你想写入一段程序,只能在指定设备运行,那也可以在程序的多处,加入ID号判断,如果不是指定设备的ID号,就不执行程序功能。这样即使你的程序被盗,在别的设备上也难以运行,这是STM32的电子签名。

闪存编程手册

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在编程过程中,任何读写闪存的操作都会使CPU暂停,直到此闪存编程结束。

这是读写内部闪存存储数据的一个弊端,忙的时候代码执行会暂停,因为执行代码需要读闪存,闪存在忙没法读,所以CPU也就没法运行了,程序就会暂停。这会导致,假如你使用内部闪存存储数据,同时你的中断代码又在频繁执行,这样读写闪存的时候,中断代码就无法执行了,这可能会导致中断无法及时响应。

选项字节编程
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闪存控制寄存器(FLASH_CR)
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