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STM32 FSMC/FMC原理保姆级讲解(一)

2023-05-16

      • FSMC通俗讲解
    • FSMC 框图
    • FMC引脚说明
    • FMC地址映射
    • FSMC不同位宽操作
    • FSMC寄存器
    • FSMC时钟
    • FSMC 四种模式
    • FSMC参数设置
    • FSMC 控制异步 NOR FLASH 的时序
    • FSMC的功能
    • FSMC的特点

STM32 FSMC/FMC原理保姆级讲解(二)

FSMC( Flexible static memory controller)全称“灵活的静态存储器控制器”，是 STM32中一个很有特色的外设，通过 FSMC，STM32可以通过FSMC与SRAM、ROM、PSRAM、Nor Flash和NandFlash存储器的引脚相连，从而进行数据的交换。

要注意的是，FSMC 只能扩展静态的内存，即名称里面的 S：static，不能是动态的内存，比如 SDRAM 就不能扩展。

关于DRAM跟SRAM等内存存储，如果不懂请看这篇：
SDRAM、DRAM及DDR FLASH ROM概念详解

FSMC通俗讲解

既然我们知道FMC是可以方便的跟内存存储，那么到底方便到什么地方了呢？

我们用DRAM做一个最简单的举例，让你最直观的了解FMC的用处和便捷之处。

首先我们想一下，你想要在自己的电脑中查找一个文档文件的数据 ,然后拷到U盘里，需要的步骤是什么呢？

  1. 找到该文档在电脑中的位置(地址)
  2. 复制该文档(数据)
  3. 将文档粘贴到U盘中(数据传输)

在这里插入图片描述

一共需要三步，而我们的DRAM和NOR FLASH 都是存储器，把它们想成电脑 ，U盘是我们的STM32

单片机跟外部存储器通信，也需要知道数据的地址(电脑中的位置)，然后把数据的内容传递(复制粘贴)过来。 那这样的话，存储器就需要地址传输线跟数据传输线，还要加上一些控制时序引脚 比方说复位 写数据 读数据 等等

  • 1、地址线：是用来传输地址信息用的。举个简单的例子：cpu在内存或硬盘里面寻找一个数据时，先通过地址线找到地址，然后再通过数据线将数据取出来。 如果有32根.就可以访问2的32次方的字节，也就是4GB。

  • 2、数据线（data cable），来传递数据或通信。通俗点说，就是单片机发送指令给存储器，和存储器发送数据给单片机这两个功能

我们来看一个DRAM存储器的原理图：
在这里插入图片描述

图中A0 ~ 18为地址线，总共19根地址线（即2^19=512K，1K=1024）；DQ0 ~ 15为数据线，总共16根数据线。CEn是芯片使能信号，低电平有效；OEn是输出使能信号，低电平有效；WEn是写使能信号，低电平有效；BLEn和BHEn分别是高字节控制和低字节控制信号；

假设我们不用FSMC，直接跟DRAM通信，那么代码应该这样写：

CEn=0;
WEn=0;
....
省略的控制时序
//确定地址线
A0=1;
A1=0;
A2=1;
A3=1;
A4=1;
A5=0;
A6=1;
A7=1;
A8=1;
A9=0;
A10=1;
A11=1;
A12=1;
A13=0;
A14=1;
A15=1;
A16=1;
A17=1;
A18=1;

//地址线确定好了，假设是写数据，那么就要开始发送数据了
CEn=0;
....
省略的控制时序
//数据总线发送数据
D0=1;
D1=0;
D2=1;
D3=1;
D4=1;
D5=0;
D6=1;
D7=1;
D8=1;
D9=0;
D10=1;
D11=1;
D12=1;
D13=0;
D14=1;
D15=1;

....
省略的控制时序

通过上面最基本的演示，你就会发现，正常通过IO口的时序逻辑跟DRAM通信是非常繁琐的

那么有没有简单的方法呢？ 有的！ STM32自带的FSMC功能，就是专门为这类存储器设计的，在STM32上，有一些引脚被专门设计成地址线，还有一些被专门设计成数据线，还有一些被设计成控制线，然后这些地址线和数据线对应着固定的地址，只要外部的DRAM等存储器将对应的数据线连接到STM32这些对应的引脚上，引脚功能设置为复用模式，通过配置FSMC ，你可以直接给上面那个固定的地址赋值 ，其他操作STM32都会自动给你完成，就可以把数据存储到SRAM中！

我们来看下使用FSMC读写数据的流程：

定义FSMC数据线对应的地址


//FSMC_Bank1_NORSRAM  
#define      FSMC_Addr_DATA        ( ( uint32_t ) 0x60020000 )

如果要写数据，直接给这个地址赋值就可以：

/**
  * @brief  SRAM写入数据
  * @param  usData :要写入的数据
  * @retval 无
  */	
 void SRAM_Write_Data ( uint16_t usData )
{
	* ( __IO uint16_t * ) ( FSMC_Addr_DATA ) = usData;
	
}

如果要从存储器中读取数据，直接读取这个地址就可以：


/**
  * @brief  从SRAM读取数据
  * @param  无
  * @retval 读取到的数据
  */	
 uint16_t SRAM_Read_Data ( void )
{
	return ( * ( __IO uint16_t * ) ( FSMC_Addr_DATA ) );	
}

uint16_t usR=0;

usR = SRAM_Read_Data (); 	/* READ DATA*/

是不是傻瓜式操作，极大的方便了我们的程序编写，其实这就好比软件IIC SPI 跟硬件IIC SPI 一样 我们不需要关心协议本身的时序，这些都由STM32内部来设置，我们只需要发送和读取数据就可以，STM32跟外部存储器通信，使用硬件方式就是FMC,这样就很容易理解了

那么，在你了解了什么是FSMC之后，我们就要来详细的讲解FSMC了，它在STM32中到底要怎么配置呢，他又有那些特性呢？ 我们接下来将一一阐述。

STM32F1系列的芯片不支持扩展SDRAM (STM32F4跟H7支持)，它仅支持使用FSMC外设扩展SRAM，由于引脚数量的限制，只有STM32F103ZE 或以上型号的芯片才可以扩展外部SRAM

FSMC 框图

FSMC 的框图如图所示：
在这里插入图片描述
F1的FSMC包含四个主要模块：AHB总线(包含FSMC配置寄存器)；HCLK时钟；NOR闪存和PSRAM控制器；NAND闪存和PC卡控制器；

FMC引脚说明

1、在框图的右侧是FSMC外设相关的控制引脚，控制不同类型存储器的时候会有一些不同的引脚，其中地址线FSMC_A和数据线FSMC_D是所有控制器都共用的

NOR/SRAM信号 ：这部分是NOR 和SRAM这类存储器的控制信号，其中：

  • FSMC_CLK是时钟信号
  • FSMC_NE[4:0]是片选信号 选择SRAM的不同存储区域
  • FSMC_NBL[1:0] 是数据掩码
  • FSMC_NL是输入地址是否有效

再加上下面的公共信号，组成了SRAM的控制引脚：
在这里插入图片描述

FMC地址映射

2、FSMC 连接好外部的存储器并初始化后，就可以直接通过访问地址来读写数据 其中这部分在内存中有着固定的存储地址，存储单元是映射到 STM32 的内部寻址空间的；在程序里，定义一个指向这些地址的指针，然后就可以通过指针直接修改该存储单元的内容，FSMC 外设会自动完成数据访问过程，读写命令之类的操作不需要程序控制，具体如下：

在这里插入图片描述

也就是从0x6000 0000 到0x9FFF FFFF 这1.0GB大小的空间被作为FMC的地址

如果从内核看的话中，左侧的是 Cortex-M3 内核的存储空间分配，右侧是 STM32 FSMC 外设的地址映射。可以看到 FSMC 的 NOR/PSRAM/SRAM/NAND FLASH 以及 PC 卡的地址都在 External RAM 地址空间内。正是因为存在这样的地址映射，使得访问 FSMC 控制的存储器时，就跟访问 STM32 的片上外设寄存器一样(片上外设的地址映射即图中左侧的“Peripheral”区域)

也就是访问FSMC其实就是访问固定的地址，跟寄存器操作异曲同工。

在这里插入图片描述

FSMC 把整个 存储区域分成了 4 个 Bank 区域，NOR 及 SRAM 存储器只能使用 Bank1 的地址，在每个 Bank 的内部又分成了 4 个小块，每个小块有相应的控制引脚用于连接片选信号FSMC_NE1/2/3/4

当 STM32 访问0x6C000000-0x6FFFFFFF 地址空间时，其实就是访问FSMC BANK1的第一块区域

，FSMC_NE1 引脚会自动设置为低电平
在这里插入图片描述

具体是选择那个小快，由地址线（ADDR[27:26]）寻址确定
在这里插入图片描述

Bank1的256M字节空间由28根地址线（ADDR[27:0]）寻址。这里ADDR 是内部AHB地址总线，其中ADDR[25:0]对应外部存储器地址FSMC_A[25:0]，而HADDR[26:27]对4个区进行寻址

在这里插入图片描述

也就是ADDR 28位地址线的头两位，是选择那个分区，后26位是选择对应64M个byte地址

四个区对应二进制：

Bank1：0110-0000 0000-0000 0000-0000 0000-0000 ，即 60 00 00 00；

Bank2：0110-0100 0000-0000 0000-0000 0000-0000 ，即 64 00 00 00；

Bank3：0110-1000 0000-0000 0000-0000 0000-0000 ，即 68 00 00 00；

Bank4：0110-1100 0000-0000 0000-0000 0000-0000 ，即 6c 00 00 00；

FSMC不同位宽操作

FSMC总线除了复用到具体引脚上的FSMC_A[25:0]，共计26路地址以外，还有两条内部总线ADDR[27:26]。通过这两路线才区分出了FMC_NE1，FMC_NE2，FMC_NE3和FMC_NE4。即0x60xx xxxx，0x64xx xxxx，0x68xx xxx和0x6Cxx xxxx。

这里要注意的是FSMC中每一个地址，对应的是存储器中的一个字节

假设我们用BANK1的区1，那么0x6000 0000-0x63ff ffff (共64M个字节byte地址) 对应的就是存储器的地址就是64Mx8=512M地址

也就是FSMC的64M个bit地址映射着存储器64M个字节byte地址

那也就是默认情况下存储器地址数据为8位，可以正常读取，但是如果存储器地址数据为16位，32位，就是两个字节一个地址，四个字节一个地址，那么控制16位，32位宽度的存储设备，且不支持单字节访问就比较麻烦了。比如16位宽度的NOR Flash，写入仅支持16位或者32位（通过写入两次16位），写入8位数据是不支持的 。

这样的话，我们本来对应64M的字节byte地址，就变成了32M的双字节byte地址，也就是最后一位无效了，因为地址一次要加2

这个时候，为了方便操作，FMC在硬件设计上就提供了一种解决办法，将内部数据总线ADDR[25:0]措位后接到FMC_A地址引脚上，“丢弃”地址的bit-0，从bit-1开始对地址计数（相当于只计算偶数地址，总共有32M个地址）

FSMC在实际输出地址时，将地址的值右移一位（相当于除以2，变成了偶数地址），输出到实际的地址线上。F103的文档上是这么写的：

在这里插入图片描述

如果是存储器宽度是32位的话，就是4个字节一个地址，就是右移两位

在这里插入图片描述

最终就是配置外部存储器的宽度为16位， FMC将使用内部的ADDR[25:1]地址来作为对外部存储器的寻址地址FMC_A[24:0]。如果存储器宽度为32位， FMC将使用内部的ADDR[25:2]地址进行外部寻址

FSMC寄存器

上图中的第三部分，FSMC是由AHB总线控制配置寄存器来设置的，

NOR/PSRAM/SRAM 设备使用相同的控制器，NAND/PC 卡设备使用相同的控制器，不同的控制器有专用的寄存器用于配置其工作模式。

  • 控制 NOR FLASH 的有 FSMC_BCR1/2/3/4 控制寄存器、FSMC_BTR1/2/3/4 片选时序寄存器以及 FSMC_BWTR1/2/3/4 写时序寄存器。

每种寄存器都有 4 个，分别对应于 4 个不同的存储区域，各种寄存器介绍如下：

  • FSMC_BCR 控制寄存器可配置要控制的存储器类型、数据线宽度以及信号有效极性能参数。
  • FMC_BTR 时序寄存器用于配置 SRAM 访问时的各种时间延迟，如数据保持时间、地址保持时间等。
  • FMC_BWTR 写时序寄存器与 FMC_BTR 寄存器控制的参数类似，它专门用于控制写时序的时间参数

FSMC时钟

FSMC 外设挂载在 AHB 总线上，时钟信号来自于 HCLK(默认 72MHz)，控制器的同步时钟输出就是由它分频得到。
它的时钟频率可通过 FSMC_BTR 寄存器的 CLKDIV 位配置，HCLK 与 FSMC_CLK 的分频系数(CLKDIV)，可以为 2～16 分频

  • 它可用于与同步类型的 NOR FLASH 芯片通过FSMC_CLK 引脚输出进行同步通讯，

  • 对于异步类型的存储器，不使用同步时钟信号，所以时钟分频配置不起作用

FSMC 四种模式

对于存储器来说，可以分为带时钟信号的同步存储器和不带时钟信号的异步存储器

  • 同步突发访问中获得第 1 个数据所需要的等待延迟(DATLAT)
  • 异步突发访问方式，FSMC 主要设置 3 个时间参数：地址建立时间(ADDSET)、数据建立时间(DATAST)和地址保持时间(ADDHLD)。

FSMC 外设支持输出多种不同的时序以便于控制不同的存储器, 综合了 SRAM／ROM、PSRAM 和 NOR Flash 产品的信号特点，定义了 ABCD 四种不同的异步时序模型。选用不同的时序模型时，需要设置不同的时序参数
在这里插入图片描述

FSMC参数设置

我们知道NOR FLASH跟SRAM等存储器除了地址线跟数据线还有其他的控制线跟读写时序，在STM32中，这些时序都很贴心的为我们提供了设置方式，可以很好地匹配不同型号的存储器。
在这里插入图片描述

下面我们来看下不同模式的时序图，通过时序图来看下FSMC具体的流程：

模式1读操作
在这里插入图片描述

  • NOE 是存储器的读信号线,N表示低电平有效,O表示output,E表示enable,

  • NWE 是存储器的写信号线,N表示低电平有效,W表示write,E表示enable,

写存储器时,用NWE输出一个低电平,NOE保持高电平,读存储器时,用NOE输出一个低电平,NWE保持高电平

模式1写操作

在这里插入图片描述

模式A与模式1的区别是NOE的变化和相互独立的读写时序

FSMC 控制异步 NOR FLASH 的时序

下面我们以控制异步 NOR FLASH 使用的模式 B 进行讲解

FSMC 读 NOR FLASH 的时序图：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

以读时序为例，该图表示一个存储器读操作周期由地址建立周期(ADDSET)、数据建立周期(DATAST)以及 2 个 HCLK 周期组成。

  • 在地址建立周期中，地址线发出要访问的地址，数据掩码信号线指示出要读取地址的高、低字节部分，片选信号使能存储器芯片；
  • 地址建立周期结束后读使能信号线发出读使能信号，接着存储器通过数据信号线把目标数据传输
    给 FSMC，FSMC 把它交给内核

FSMC 写 NOR FLASH 的时序图：
在这里插入图片描述

写时序类似，区别是它的一个存储器操作周期仅由地址建立周期(ADDSET)和数据建
立周期(DATAST)组成，且在数据建立周期期间写使能信号线发出写信号，接着 FSMC 把
数据通过数据线传输到存储器中。

当 FSMC 外设被配置成正常工作，并且外部接了 NOR FLASH 时，若向 0x60000000 地址写入数据如 0xABCD，FSMC 会自动在各信号线上产生相应的电平信号，写入数据。FSMC 会控制片选信号 NE1 输出低电平选择相应的 NOR 芯片，然后使用地址线 A[25:0]输出0x60000000，在 NWE 写使能信号线上发出低电平的写使能信号，而要写入的数据信号0xABCD 则从数据线 D[15:0]输出，然后数据就被保存到 NOR FLASH 中了。

FSMC的功能

FSMC的功能总结：将AHB传输信号转换到适当的外部设备协议；满足访问外部设备的时序要求。
所有的外部存储器共享控制器输出的地址、数据和控制信号，每个外部设备可以通过一个唯一的片选信号加以区分。FSMC在任一时刻只访问一个外部设备。

FSMC的特点

1、 FSMC的一大特点是支持不同位宽的异步读写操作。

2、 FSMC的映射地址空间中，不同的BANK是独立的，可用于扩展不同类型的存储器。当FSMC同时使用多个外部存储器时，FSMC会通过总线悬空延时时间参数，来防止访问冲突发生。

3、 支持代码从FSMC扩展的外部存储器中直接运行。不需要首先调入内部SRAM。

关于FSMC的基本原理就说到这里，下一篇我们将讲解下如何使用HAL库来对FSMC进行初始化
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