STM32—FLASH闪存

1.FLASH简介

• STM32F1系列的FLASH包含程序存储器、系统存储器和选项字节三个部分，通过闪存存储器接口（外设）可以对程序存储器和选项字节进行擦除和编程
  • 我们怎么操作这些存储器呢？这就需要用到这个闪存存储器接口了，闪存存储器接口是一个外设，是这个闪存的管理员，毕竟闪存的操作很麻烦，涉及到擦除、编程、等待忙、解锁等等操作，所以这里，我们需要把我们的指令和数据，写入到这个外设的相应寄存器，然后这个外设就会自动去操作对应的存储空间，后面写这个外设可以对程序存储器和选项字节，这两部分，进行擦除和编程，对比上面的三个部分少了系统存储器这个区域，因为系统存储器是原厂写入的Bootloader程序，不允许我们修改
• 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
    • 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可以加以利用，比如存储一些我们自定义的数据，这样就非常方便，而且可以充分利用盗源，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，之后程序就运行不了了，一般存储少量的数据，我们就选最后几页存储就行了
  • 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会发生什么呢？那这就是第二点提到的功能，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
• 在线编程(In-Circuit Programming-lCP)也可以叫在电路中编程，用于更新程序存储器的全部内容，它通过JTAG、SWD协议或系统加载程序(Bootloader)下载程序
  • 这个JTAG、SWD，就是仿真器下载程序，就是我们目前用的STLINK使用SWD下载程序，每次下载，都是把整个程序壳全更新掉，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（In-Application Programming-IAP）可以使用微控制器支持的任一种通信接口下载程序
  • 怎么实现？那比如，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，比如我们放在这后面，然后，需要更新程序时，我们控制程序跳转到这个自己写的Bootloader里来，在这里面，我们就可以接收任意一种通信接口传过来的数据，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，这个过程其实就是和系统存储器这个的Bootloader-样，因为程序要实现自我升级，在升级过程中肯定需要布置一个辅助的小机器人来临时干活，只不过是系统存储器的Bootloader写死了，只能用串口下载到指定位置 ，启动方式也不方便，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，想写到哪就写到哪，想怎么启动就怎么启动，并且这整个升级过程，程序都可以自主完成，实现在程序中编程，更进一步，就可以直接实现远程升级了，对吧，非常方便      

2.闪存模块组织

我们C8T6芯片的闪存容量是64K，属于中容量产，对于小容量产品和大容量产品，闪存的分配方式有些区别，可以参考手册

首先看一下第一列的几个块，这里分为了三个块，第一个是主存储器也就是我们刚才说的程序存储器，用来存放程序代码的，这是最主要，也是容量最大的一块，下面第二个，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刚才说的系统存储器，存放的是原厂写入的Bootloader，用于串口下载，然后下面这个用户选择字节也就是刚才说的选项字节，存放一些独立的参数，这个选项字节，在手册里一直都称作选择字节，英文是Option Bytes，然后最后一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，你看它的地址就知道，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就是上面这些闪存的管理员，这些寄存器，就是用来控制擦除和编程这个过程的，只有程序存储器、系统存储器和选项字节才是真正的闪存

对于主存储器这里对它进行了分页，分页是为了更好地管理闪存，擦除和写保护，都是以而为单位的，这一点和之前W25Q64那一节的闪存一样，同为闪存，它们的特性基本一样，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，那W25064的分配方式是先分为块Block，再分为康区Sector比较复杂，这里，就比较简单了，它只有一个基本单位，就是页，每页的大小都是1K，0~127，总共128页，总容量就是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：第一个页的起始地址，就是程序存储器的起始地址，0x0800 0000，之后就是一个字节一个地址，依次线分配了，看一下每页起始地址的规律首先是0000然后0400、0300、0C00...到FC00，所以，地址只要以000、400、800、C00结尾的，都一定是页的起始地址，对吧

系统存储器，它的起始地址是0x1FFF F000，它的容量是2K，再下面，选项字节，起始地址是0X1FFF F800，容量是16个字节，里面只有几个字节的配置参数，我们平时说的，芯片闪存容量是64K、128K，它指的只是主存储器的容量，下面信息块的两个东西，虽然也是闪存，但是并不统计在这个容量里，这就是闪存的分配方式

那最后，就是这个闪存接口寄存器了，里面包括KEYR键寄存器、SR状态寄存器、CR控制寄存器等等，外设的起始地址是0x4002 2000，每个寄存器都是4个字节，也就是32位，这就是这个外设的寄存器

3.FLASH基本结构

整个闪存分为程序存储器、系统存储器和选项字节三部分，这里程序存储器我以C8T6为例，它是64K的共64页，最后一页的起始地址是0800 FC00，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(FPEC)，然后，这个控制器，就是闪存的管理员，它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，当然系统存储器是不能擦除和编程的，之后选项字节，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，当然选项字节还有几个别的配置参数

4.操作控制器FPEC

细节问题，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，首先，第一步，是FLASH解锁，这个和之前W25Q64-样，W25064操作之前需要写使能，这个FLASH，操作之前需要解锁，目的，都是为了防止误操作，那这里，解锁的方式，和之前独立看门狗一样，都是通过在键寄存器写入指定的键值来实现，使用键寄存器的好处就是，更能防止误操作，每一个指令，必须输密码才能完成，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，

4.1FLASH解锁

5.使用指针访问存储器

因为STM32内部的存储器是直接挂在总线上的，所以这时，再读写某个存储器就非常简单了，直接使用C语言的指针，来访问即可，__IO对应C语言的关键字，volatile，volatile，直译就是，易变的数据，在这个数据类型前面加上volatile，是一个安全保障措施，用一句话来说，就是防止编译器优化，首先说一下，Keil编译器默认情况下是最低优化等级，这时，加不加这个volatile，都没有影响，如果，你要提高编译器优化等级，这时候就会有问题了，用途就是，可以去除无用的繁架代码，降低代码空间，提升运行效率，但优化之后，编译器在某些地方可能会弄巧成拙，比如，你想用变量计数空循环的方式实现延时函数，那编译器优化的时候，可能会说你这段延时函数好像没用啊还自白浪赛时间，我直接给你优化掉，这就弄巧成拙了，因为我们本意就是靠浪装时间来延时，这时，我们就可以在延时的变量定义前面加上volatile，告诉编译器我无论对这个变量干什么，你都原封不动地去执行，别给我优化掉了

另外，编译器还会利用缓存来加速代码，比如如果你要频繁读写内存的某个变量，那最常见的优化方式就是先把变量转移到高速缓存里来，在STM32内核里，有一个类似缓存的工作组寄存器，这些寄存器的访问速度最快，我先把变量放在缓存里，需要读写的时候，直接访问缓存就行了，用完之后，再写回内存，这是一个优化方案，但是，如果你的程序里有多个线程，比如中断函数，在中断函数里，你改变了这个原始变量，那可能缓存并不知道你更改了，下次程序还看缓存的变量，就会造成数据更改不同步的问题，这时，我们的做法也是，读取变量定义的前面加上一个volatile，告诉编译器这个变量是易变的，每次读取你都得执行到位，要直接从内存里找，不要再用缓存优化了，所以总结-下就是，如果开启了编译器优化，在无意义加减变量，多线程更改变量，读写与硬件相关的存储器时都需要加上volatile，防止被编译器优化，如果你默认，不开编译器优化，那就无所谓了，加不加都一样

其中，读取，可以直接读，写入，需要解锁，并且执行后面的流程
 

5.1 程序存储器全擦除

第 步是读取LOCK位，看一下芯片锁没锁，下面，如果LOCK位=1，锁住了，就执行解锁过程，在KEYR寄存器，先写入KEY1，再写入KEY2，这里，如果它当前没锁住就不用解锁了，在库函数中，并没有这个判断，库函数是直接执行解锁过程，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，其中置STRT为1是触发条件，STRT为1之后，芯片开始干活，然后芯片看到，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，然后继续擦除也是需要花一段时间的，所以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为1，表示芯片忙，所以这里，如果判断BSY=1，就跳转回来，继续循环判断，直到BSY=0，跳出循环，这样全擦除过程就结束了，最后一步，这里写的是读出并验证所有页的数据，读出并验证所有页的数据，这个是测试程序才要做的，正常情况下，全擦除完成了，我们默认就是成功了

5.2 程序存储器页擦除

第一步，上面这块一样的，是解锁的流程，第二步，这个方框里的置控制寄存器的PER(Page Erase) 位为1，然后，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为1，也是触发条件，STRT为1，芯片开始干活，然后芯片看到，PER=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要擦哪一页，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起始地址，这样芯片就会把我们指定的一页，给擦除掉，然后擦除开始之后，我们也需要等待BSY位，最后，读出并验证数据，这个就不用看了，这就是页擦除的过程

5.3 程序存储器编程

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，这一个数据是例外，因为不擦除就写入，可能会写入错误，但全写入0的话，写入肯定是没问题的，写入的第一步，也是解锁，然后第二步，我们需要置控制寄存器的PG(Programming)位为1，表示我们即将写入数据，之后第三步，就是在指定的地址写入半字，这步，我们需要用到刚才说的这句代码使用指针，在指定地址写入数据，想写入什么数据在这里指定即可，另外这里注意写入操作，只能以半字的新式写入，其中字，Word，就是32位数据，半字，HalfWord，就是16位数据，字节，Byte，就是8位数据，如果你要写入32位，就分两次完成，这个就比较麻烦了，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，那就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墪页都擦除，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，那最好的加法就是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，那回到流程图这里，写入数据这个代码，就是触发开始的条件，不需要像擦除一样，置STRT位了，写入半字之后，芯片会处于忙状态，等待BSY位清0，这样写入数据的过程就完成了，那每执行这样一个流程，只能写入一个半字，如果要写入很多数据，那就不断循环调用这个流程，就可以了

6.选项字节

首先这里是选项字节的组织和用途，图里的起始地址就是我们刚才说的选项字节的起始地址1FFFF800，这一块的这些数据就是前面的用户选项字节，里面总共只有16个字节，其中有一半的名称，前面都带了个n，比如RDP和nRDP，这个意思就是你在写入RDP数据时，要同时在nRDP写入数据的反码，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，当然这个写入反码的过程，硬件会自动计算，并写入

1位保护4x8=32页，总共保护32*4=128页，正好对应中容量的最大128页       

7.器件电子签名

也就是每个芯片的身份证号，这个数据存放的基地址是1FFFF7E8，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，那就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，这就是STM32的电子签名