STM32單片機的FSMC機制FlaSh存儲器擴展

　　引 言

　　STM32是ST(意法半導體)公司推出的基于A(yíng)RM內核Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3內核是為低功耗和價(jià)格敏感的應用而專(zhuān)門(mén)設計的，具有突出的能效比和處理速度。通過(guò)采用Thumb－2高密度指令集，Cortex－M3內核降低了系統存儲要求，同時(shí)快速的中斷處理能夠滿(mǎn)足控制領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)性要求，使基于該內核設計的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，面向更廣泛的應用領(lǐng)域。

　　STM32系列微控制器為用戶(hù)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、醫療設備以及消費類(lèi)電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統設計。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，可根據系統的應用需要，方便地進(jìn)行不同類(lèi)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(chēng)為“可變”，是由于通過(guò)對特殊功能寄存器的設置，FSMC能夠根據不同的外部存儲器類(lèi)型，發(fā)出相應的數據／地址／控制信號類(lèi)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用各種不同類(lèi)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(shí)擴展多種不同類(lèi)型的靜態(tài)存儲器，滿(mǎn)足系統設計對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。

　　1．1 FSMC技術(shù)優(yōu)勢

　?、僦С侄喾N靜態(tài)存儲器類(lèi)型。STM32通過(guò)FSMC町以與SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NANDFlash存儲器的引腳直接相連。

　?、谥С重S富的存儲操作方法。FSMC不僅支持多種數據寬度的異步讀／寫(xiě)操作，而且支持對NOR／PSRAM／NAND存儲器的同步突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)方式。

　?、壑С滞瑫r(shí)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(lèi)型的存儲器。當系統中擴展和使用多個(gè)外部存儲器時(shí)，FSMC會(huì )通過(guò)總線(xiàn)懸空延遲時(shí)間參數的設置，防止各存儲器對總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)沖突。

　?、苤С指鼮閺V泛的存儲器型號。通過(guò)對FSMC的時(shí)間參數設置，擴大了系統中可用存儲器的速度范圍，為用戶(hù)提供了靈活的存儲芯片選擇空間。

　?、葜С执a從FSMC擴展的外部存儲器中直接運行，而不需要首先調入內部SRAM。

　　1．2 FSMC內部結構

　　STM32微控制器之所以能夠支持NOR Flash和NAND Flash這兩類(lèi)訪(fǎng)問(wèn)方式完全不同的存儲器擴展，是因為FSMC內部實(shí)際包括NOR Flash和NAND／PC Card兩個(gè)控制器，分別支持兩種截然不同的存儲器訪(fǎng)問(wèn)方式。在STM32內部，FSMC的一端通過(guò)內部高速總線(xiàn)AHB連接到內核Cortex－M3，另一端則是面向擴展存儲器的外部總線(xiàn)。內核對外部存儲器的訪(fǎng)問(wèn)信號發(fā)送到AHB總線(xiàn)后，經(jīng)過(guò)FSMC轉換為符合外部存儲器通信規約的信號，送到外部存儲器的相應引腳，實(shí)現內核與外部存儲器之間的數據交互。FSMC起到橋梁作用，既能夠進(jìn)行信號類(lèi)型的轉換，又能夠進(jìn)行信號寬度和時(shí)序的調整，屏蔽掉不同存儲類(lèi)型的差異，使之對內核而言沒(méi)有區別。

　　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(gè)大小為256 MB的BANK，每個(gè)BANK又劃分為4個(gè)64 MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2個(gè)控制器管理的映射地址空間不同。NOR Flash控制器管理第1個(gè)BANK，NAND／PC Card控制器管理第2～4個(gè)BANK。由于兩個(gè)控制器管理的存儲器類(lèi)型不同，擴展時(shí)應根據選用的存儲設備類(lèi)型確定其映射位置。其中，BANK1的4個(gè)子BANK擁有獨立的片選線(xiàn)和控制寄存器，可分別擴展一個(gè)獨立的存儲設備，而B(niǎo)ANK2～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(lèi)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最為復雜。通過(guò)FSMC擴展外部存儲器時(shí)，除了傳統存儲器擴展所需要的硬件電路外，還需要進(jìn)行FSMC初始化配置。FSMC提供大量、細致的可編程參數，以便能夠靈活地進(jìn)行各種不同類(lèi)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(hù)能否根據選用的存儲器型號，對配置寄存器進(jìn)行合理的初始化配置。

　　(1)確定映射地址空間

　　根據選用的存儲器類(lèi)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(gè)子BANK。選定映射子BANK后，即可確定以下2方面內容：

　?、儆布娐分杏糜谶x中該存儲器的片選線(xiàn)FSMC_NEi(i為子BANK號，i=1，…，4)；

　?、贔SMC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(guò)對FSMC特殊功能寄存器FSMC_BCRi(i為子BANK號，i=1，…，4)中對應控制位的設置，FSMC根據不同存儲器特征可靈活地進(jìn)行工作方式和信號的調整。根據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：

　?、俅鎯ζ黝?lèi)型(MTYPE)是SRAM／ROM、PSRAM，還是NOR FlaSh；

　?、诖鎯π酒牡刂泛蛿祿_是否復用(MUXEN)，FSMC可以直接與AD0～AD15復用的存儲器相連，不需要增加外部器件；

　?、鄞鎯π酒臄祿€(xiàn)寬度(MWID)，FSMC支持8位／16位兩種外部數據總線(xiàn)寬度；

　?、軐τ贜OR Flash(PSRAM)，是否采用同步突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)方式(B URSTEN)；

　?、輰τ贜OR Flash(PSRAM)，NWAIT信號的特性說(shuō)明(WAITEN、WAITCFG、WAITPOL)；

　?、迣τ谠摯鎯π酒淖x／寫(xiě)操作，是否采用相同的時(shí)序參數來(lái)確定時(shí)序關(guān)系(EXTMOD)。

　　(3)配置存儲器時(shí)序參數

　　FSMC通過(guò)使用可編程的存儲器時(shí)序參數寄存器，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(fǎng)問(wèn)方式。選用同步突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)方式時(shí)，FSMC將HCLK(系統時(shí)鐘)分頻后，發(fā)送給外部存儲器作為同步時(shí)鐘信號FSMC_CLK。此時(shí)需要的設置的時(shí)間參數有2個(gè)：

　?、貶CLK與FSMC_CLK的分頻系數(CLKDIV)，可以為2～16分頻；

　?、谕酵话l(fā)訪(fǎng)問(wèn)中獲得第1個(gè)數據所需要的等待延遲(DATLAT)。

　　對于異步突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)方式，FSMC主要設置3個(gè)時(shí)間參數：地址建立時(shí)間(ADDSET)、數據建立時(shí)間(DATAST)和地址保持時(shí)間(ADDHLD)。FSMC綜合了SRAM／ROM、PSRAM和NOR Flash產(chǎn)品的信號特點(diǎn)，定義了4種不同的異步時(shí)序模型。選用不同的時(shí)序模型時(shí)，需要設置不同的時(shí)序參數，如表2所列。在實(shí)際擴展時(shí)，根據選用存儲器的特征確定時(shí)序模型，從而確定各時(shí)間參數與存儲器讀／寫(xiě)周期參數指標之間的計算關(guān)系；利用該計算關(guān)系和存儲芯片數據手冊中給定的參數指標，可計算出FSMC所需要的各時(shí)間參數，從而對時(shí)間參數寄存器進(jìn)行合理的配置。

　　3 STM2擴展S29GL系列NOR Flash實(shí)例

　　3．1 S29GL系列NOR Flash簡(jiǎn)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(yè)訪(fǎng)問(wèn)速度和11O ns的隨機訪(fǎng)問(wèn)速度，帶有最大64字節的寫(xiě)緩沖區，以提供更快、更高效的編程，是嵌入式系統設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(總容量64 MB)，擴展到NOR Flash控制器管理的BANK1的第2個(gè)子BANK。

　　3．2 STM32與S29GL512P的電路連接

　　S25GL512P可通過(guò)控制引腳BYTE選擇對芯片的訪(fǎng)問(wèn)單位(字／字節)，區別在于：

　?、賹τ谛酒_DQ15，字模式時(shí)傳送最高數據位D15；字節模式時(shí)傳送最低地址A-1。

　?、谧帜Ｊ綍r(shí)，數據引腳D0～D15上傳送數據信號；字節模式時(shí)，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(fǎng)問(wèn)單位。FSMC數據線(xiàn)FSMC_D[15：0]與S29GL512P的D15～D0對應連接；FSMC地址線(xiàn)FSMC_A[25：0]的低25根與S29GL512P的地址線(xiàn)A[24：0]對應連接。

　　由于S29GL512P芯片映射到BANK1的子BANK2，可確定其片選線(xiàn)應連接FSMC片選控制線(xiàn)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S29GL512P的映射位置，需要對FSMC_BCR2和FSMC_BTR2／BWTR2寄存器進(jìn)行配置。

　　(1)FSMC_BCR2

　　配置S29GL512P的讀／寫(xiě)采用統一時(shí)間參數，只需要設置時(shí)間寄存器FSMC_BTR2。配置存儲器類(lèi)型為NORFlash，數據總線(xiàn)寬度為16位(字)，不采用地址／數據復用，使能BANK1的子BANK2。

　　(2)FSMC_BTR2

　　由表2可知，異步NOR Flash時(shí)序模型Mode2／B需要設置時(shí)間參數DATAST和ADDSET。根據時(shí)序圖，兩個(gè)參數的計算公式如下：

　　式中：Twc和Trc為所選存儲芯片的寫(xiě)周期長(cháng)度和讀操作周期長(cháng)度；Twp為所選存儲芯片的寫(xiě)信號持續長(cháng)度。根據S29GL512P用戶(hù)手冊，可知參數Twc=Trc=130 ns，Twp=35 ns。設STM32微控制器采用72 MHz主頻，則HCLK=(1／72×10-6)s。通過(guò)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，還應考慮FSMC自身延遲問(wèn)題，使用校正公式：

　　式中：TAVQV為所選存儲芯片訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，從地址有效至數據有效的時(shí)間域；Tsu(Data_NE)為STM32特征參數，從數據有效到FSMC_NE(片選)失效時(shí)間域；Ttv(A_NE)為STM32特征參數，從FSMC_NE有效至地址有效的時(shí)間域。

　　TAVQV=130 ns，Tsu(Data_NE)+Ttv(A_NE]=36 ns，對DATAST參數進(jìn)行校正，可得DATAST=3。

　　3．4 應用STM32固件對FSMC進(jìn)行初始化配置

　　ST公司為用戶(hù)開(kāi)發(fā)提供了完整、高效的工具和固件庫，其中使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的固件庫提供了覆蓋所有標準外設的函數，使用戶(hù)無(wú)需使用匯編操作外設特性，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(gè)數據結構和3個(gè)函數。數據結構FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef對應時(shí)間參數寄存器FSMC_BTR和FSMC_BWTR的結構定義；

　　FSMC_NORSRAMinitTypeDef對應特征配置寄存器FSMC_BCR的結構定義，并包含2個(gè)指向對應BANK的FSMC_BTR和FSMC_BWTR寄存器的FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef結構指針。針對上述S29GL512P芯片擴展要求，利用固件庫進(jìn)行的主要初始化操作如下：

　　結 語(yǔ)

　　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設計，能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴展多種不同類(lèi)型和容量的存儲芯片，降低了系統設計的復雜性，提高了系統的可靠性。