STM32F4开发指南笔记48

STM32控制器芯片内部有一定大小的SRAM和FLASH作为内存和程序存储空间，但当程序较大，内存和程序空间不足时，就需要在STM32芯片的外部扩展存储器了。 STM32F429系列芯片扩展内存时可以选择SRAM（静态内存，上电无需初始化）和SDRAM（动态内存，上电需初始化），由于SDRAM的性价比比较高，即使用SDRAM要比SRAM划算的多。我们以SDRAM为例讲解如何为STM32扩展内存。 给STM32芯片扩展内存与给PC扩展内存的原理是一样的，只是PC上一般以内存条的形式扩展，内存条实质是由多个内存颗粒（即SDRAM芯片）组成的通用标准模块，而STM32直接与SDRAM芯片连接。下图是一种型号为IS42-45S16400J的SDRAM芯片内部结构框图，以它为模型进行学习。本小节的SDRAM芯片为STM32扩展内存，它的行地址宽度为12位，列地址宽度为8位，内部含有4个bank，数据线宽度为16位，容量大小为8MB。

1.1 SDRAM信号线

除了时钟、地址和数据线，控制SDRAM还需要很多信号配合，它们具体作用在描述时序图时进行讲解。

1.2 控制逻辑 SDRAM内部的“控制逻辑”指挥着整个系统的运行，外部可通过CS, WE, CAS, RAS以及地址线来向控制逻辑输入命令，命令经过“命令器译码器”译码，并将控制参数保存到“模式寄存器中”，控制逻辑依次运行。

1.3 地址控制 SDRAM包含有“A”以及“BA”2类地址线，A类地址线是行（Row）与列（Column）共用的地址总线，BA地址线是独立的用于指定SDRAM内部存储阵列号（bank）。在命令模式下，A类地址线还用于某些命令输入参数。

1.4 SDRAM的存储阵列 要了解SDRAM的存储单元寻址以及“A”、“BA”线的具体运用，需要先熟悉它内部存储阵列的结构。如下图

SDRAM内部包含的存储阵列，可以把它理解成一张表格，数据就填在这张表格上。和表格查找一样，指定一个行地址和列地址，就可以精确地找到目标单元格，这是SDRAM芯片寻址的基本原理。这样的每个单元格被称为“存储单元”，而这样的表则被称为“存储阵列（bank）”，目前设计的SDRAM芯片基本上内部都包含有4个这样的bank，寻址时指定bank号以及行地址，然后再指定列地址即可寻找到目标存储单元。SDRAM内部具有多个bank时的结构见下图：

SDRAM芯片向外部提供有独立的BA类地址线用于bank寻址，而行与列则共用A类地址线。 图中④表示的就是它内部的存储阵列结构，通讯时当RAS线为低电平，则“行地址选通器”被选通，地址线A[11:0]表示的地址会被输入到“行地址译码及锁存器”中，作为存储阵列中选定的行地址，同时地址线BA[1:0]表示的bank也被锁存，选中了要操作的bank号；接着控制CAS线为低电平，“列地址选通器”被选通，地址线A[11:0]表示的地址会被锁存到“列地址译码器”中作为列地址，完成寻址过程。

1.5 数据输入输出 若是写SDRAM内容，寻址完成后，DQ[15:0]线表示的数据经过⑤中的输入数据寄存器，然后传输到存储器阵列中，数据被保存；数据输出过程相反。 本型号的SDRAM存储阵列的“数据宽度”是16位（即数据线的数量），在与SDRAM进行数据通讯时，16位的数据是同步传输的，但实际应用中我们可能会以8位、16位的宽度存取数据，也就是说16位的数据线并不是所有时候都同时使用的，而且在传输低宽度数据的时候，我们不希望其他数据线表示的数据被录入。如传输8位数据的时候，我们只需要DQ[7:0]表示的数据，而DQ[15:8]数据线表示的数据必须忽略，否则会修改非目标存储空间的内容。所以数据输入输出时，还会使用DQM[1:0]线来配合，每个DQM线对应8位数据，如“DQM0(LDQM)”为低电平，“DQM1(HDQM)”为高电平时，数据线DQ[7:0]表示的数据有效，而DQ[15:8]表示的数据无效。

1.6 SDRAM的命令 控制SDRAM需要用到一系列的命令，各种信号线状态组合产生不同的控制命令。

本型号的SDRAM芯片表示列地址时仅使用A[7:0]线，而A10线用于控制是否“自动预充电”，该线为高电平时使能，低电平时关闭。

预充电：SDRAM的寻址具有独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一个bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（ACTIVE）的行关闭，重新发送行/列地址。bank关闭当前工作行，准备打开新行的操作就是预充电（precharge）。预充电可以通过独立的命令控制，也可以在每次发送读写命令的同时使用“A10”线控制自动进行预充电。实际上，预充电是一种对工作行中所有存储阵列进行数据重写，并对行地址进行复位，以准备新行的工作。独立的预充电命令时序图如下，该命令配合使用A10线控制，若A10为高电平时，所有bank都预充电；A10为低电平时，使用BA线选择要预充电的bank。

刷新：SDRAM要不断进行刷新（refresh）才能保留住数据，因此它是DRAM最重要的操作。刷新操作与预充电中重写的操作本质是一样的。但因为预充电是对一个或所有bank中的工作行操作，并且不定期，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保证那些久久没有被访问的存储单元数据正确。刷新操作分为2种：“自动刷新（auto refresh）”与“自我刷新（self refresh）”，发送命令后CKE时钟为有效时（低电平），使用自动刷新操作，否则使用自我刷新操作。不论是何种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作。对于“自动刷新”，SDRAM内部有一个行地址生成器（也称为刷新计数器）用来自动地依次生成行地址，每收到一次命令刷新一行。在刷新过程中，所有bank都停止工作，而每次刷新所占用的时间为N个时钟周期（视SDRAM型号而定，通常为N=9），刷新结束之后才可进入正常的工作状态，也就是说在这N个时钟周期内所有工作指令只能等待而无法执行。一次次地按行刷新，刷新完所有行后，将再次对第一行重新进行刷新操作，这个对同一行刷新操作的时间间隔，称为SDRAM的刷新周期，通常为64ms。显然刷新会对SDRAM的性能造成影响，但这是它的DRAM（动态内存）的特性决定的，也是DRAM相对于SRAM取得成本优势的同时所付出的代价。“自我刷新”则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，也就是说即使外部控制器不工作了。SDRAM都能自己确保数据正常。在发出“自我刷新”命令后，将CKE置于无效状态（低电平），就进入自我刷新模式，此时不再依靠外部时钟工作，而是根据SDRAM内部的时钟进行刷新操作。在自我刷新期间除了CKE之外的所有外部信号都是无效的，只有重新使CKE有效才能退出自我刷新模式并进入正常操作状态。

加载模式寄存器：前面提到SDRAM的控制逻辑是根据他的模式寄存器来管理整个系统的，而这个寄存器的参数就是通过“加载模式寄存器”命令（LOAD MODE REGISTER）来配置的。发送该命令时，使用地址线表示要存入模式寄存器的参数“OP-Code”，各个地址线表示的参数如下图：

最后我们来了解SDRAM的初始化流程，SDRAM并不是上电后立即就可以开始读写数据的，它需要按步骤进行初始化，对存储矩阵预充电、刷新并设置模式寄存器，见下图。

该流程说明如下：

初始化步骤完成，开始读写数据，其时序流程图如下

STM32F429使用FMC外设来管理扩展的存储器，FMC称为可变存储控制器。它可以用于驱动包括SRAM、SDRAM、NOR FLASH、NAND FLASH等类型的存储器。在其他系列的STM32控制器中，只有FSMC控制器（可变静态存储控制器），所以它们不能驱动SDRAM这样的动态存储器，因为驱动SDRAM时需要定时刷新，STM32F429的FMC外设才支持该功能，且只支持普通的SDRAM，不支持DDR类型的SDRAM。我们只讲述FMC的SDRAM控制功能。

5.1 通讯引脚 在框图的右侧是FMC外设相关的控制引脚，由于控制不同类型存储器的时候会有一些不同的引脚，看起来非常多，其中地址线FMC_A和数据线FMC_D是所有控制器都共用的。这些FMC引脚具体对应的GPIO端口及引脚号可在《STM32F4XX规格书》中搜索查找到，不在此列出。针对SDRAM控制器，我们是整理出以下的FMC与SDRAM引脚对照表。

其中比较特殊的是FMC_A[15:14]引脚用作bank的寻址线；而FMC_SDCKE线和FMC_SDNE都各有2条，FMC_SDCKE用于控制SDRAM的时钟使能，FMC_SDNE用于控制SDRAM芯片的片选使能。它们用于控制STM32使用不同的存储区域驱动SDRAM，使用编号为0的信号线组会使用STM32的存储器区域1，使用编号为1的信号线会使用存储器区域2,。使用不同存储区域时，STM32访问SDRAM的地址不一样，具体将在“FMC的地址映射”小节讲解。

5.2 存储器控制器 上面不同类型的引脚是连接到FMC内部对应的存储控制器中的。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，而SDRAM存储器使用独立的控制器。不同的控制器有专用的寄存器用于配置其工作模式。 控制SDRAM的有FMC_SDCR1/FMC_SDCR2控制寄存器、FMC_SDTR1/FMC_SDTR2时序寄存器、FMC_SDCMR命令模式寄存器以及FMC_SDRTR刷新定时器寄存器。其中控制寄存器及时序寄存器各有2个，分别对应于SDRAM存储区域1和存储区域2的配置。 FMC_SDCR控制寄存器可配置SDCLK的同步时钟频率、突发读使能、写保护、CAS延迟、行列地址位数以及数据总线宽度等。 FMC_SDTR时序寄存器用于配置SDRAM访问时的各种时间延迟，如TRP行预充电延迟、TMRD加载模式寄存器激活延迟等。 FMC_SDCMR命令模式寄存器用于存储要发送到SDRAM模式寄存器的配置，以及要向SDRAM芯片发送的命令。 FMC_SDRTR用于配置SDRAM的自动刷新周期。

5.3 时钟控制逻辑 FMC外设挂载在AHB3总线上，时钟信号来自于HCLK（默认180MHZ），控制器的时钟输出就是由它分频得到。如SDRAM控制器的FMC_SDCLK引脚输出的时钟，是用于与SDRAM芯片进行同步通讯，它的时钟频率可通过FMC_SDCR1寄存器的SDCLK位配置，可以配置为HCLK的1/2或1/3，也就是说，与SDRAM通讯的同步时钟最高频率为90MHZ。

FMC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，这种地址访问与IIC EEPROM、SPI FLASH的不一样，后2种方式都需要控制IIC或SPI总线给存储器发送地址，然后获取数据；在程序里，这个地址和数据都需要分开使用不同的变量存储，并且访问时还需要使用代码控制发送读写命令。而使用FMC外接存储器时，其存储单元是映射到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，FMC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。FMC的地址映射如下图。

图中左侧的是cortex-M4内核的存储空间分配，右侧是STM32 FMC外设的地址映射。可以看到FMC的NOR/PSRAM/SRAM/NAND FLASH以及PC卡的地址都在external RAM地址空间内，而SDRAM的地址是分配到external device区域的。正是因为存在这样的地址映射，使得访问FMC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）。

6.1 SDRAM的存储区域 FMC把SDRAM的存储区域分成了bank1和bank2两块，这里的bank与SDRAM芯片内部的bank是不一样的概念，只是FMC的地址区域划分而已。每个bank有不一样的起始地址，且有独立的FMC_SDCR控制寄存器和FMC_SDTR时序寄存器，还有独立的FMC_SDCKE时钟使能信号线和FMC_SDCLK信号线。FMC_SDCKE0和FMC_SDCLK0对应存储区域1的地址范围是0xC000000-0xCFFFFFFF，而FMC_SDCKE1和FMC_SDCLK1对应的存储区域2的地址范围是0xD0000000-0xDFFFFFFF 。 当程序里控制内核访问这些地址的存储空间时，FMC外设即会产生对应的时序，对它外接的SDRAM芯片进行读写。

6.2 external RAM和external device的区别 比较遗憾的是FMC给SDRAM分配的区域不在external RAM区，这个区域可以直接执行代码，而SDRAM所在的external device区却不支持这个功能。这里说的可直接执行代码的特性就是在“常用存储器”章节介绍的XIP（eXecute In Place）特性，即存储器上若存储了代码，CPU可直接访问代码执行，无需缓存到其他设备上再运行；而且XIP特性还对存储器的种类有要求，SRAM/SDRAM及NOR FLASH都支持这种特性，而NAND FLASH及PC卡是不支持XIP的。结合存储器的特性和STM32 FMC存储器种类的地址分配，就发现他的地址规划不合理了，NAND FLASH和PC卡这些不支持XIP的存储器却占据了 external RAM的空间，而支持XIP的SDRAM存储器的空间却被分配到了 external device区。 为了解决这个问题，通过配置“SYSCFG_MEMRMP”寄存器的“SWP_FMC”寄存器位可用于交换SDRAM与NAND/PC卡的地址映射，使得存储在SDRAM中的代码能被执行，只是由于SDRAM的最高同步时钟是90MHZ，代码的执行速度会受影响。

本章主要讲解当STM32的片内SRAM不够用时使用SDRAM扩展内存，但假如程序太大，它的程序空间FLASH不够用怎么办呢？首先是裁剪代码，目前STM32F429系列芯片内部FLASH空间最高可达2MB，实际应用中只要我们把代码中的图片、字模等占据大空间的内容放到外部存储器中，纯粹的代码很难达到2MB。如果还不够用，非要扩展程序空间的话，一种方法是使用FMC扩展NOR FLASH，把程序存储到NOR上，程序代码能够直接在NOR FLASH上执行。另一种方法是把程序存储在其他外部存储器，如SD卡，需要时把存储在SD卡上的代码加载到SRAM或SDRAM上，再在RAM上执行代码。

如果SDRAM不是用于存储可执行代码，只是用来保存数据的话，在 external RAM或 external device区域都没有区别，不需要与NAND的映射地址交换。

控制FMC使用SDRAM存储器时主要是配置时序寄存器以及控制寄存器，利用ST标准库的SDRAM时序结构体以及初始化结构体可以很方便地写入参数。

这个结构体成员定义的都是SDRAM发送各种命令后必须的延迟，它的配置对应到FMC_SDTR中的寄存器位。所有成员参数值的单位是周期，参数值大小都可以设置成“1-16”。关于这些延时时间的定义可以看“SDRAM初始化流程”和“SDRAM读写流程”小节的时序图了解。具体参数值根据SDRAM芯片的手册说明来配置。各成员介绍如下：

这个SDRAMTimingTypeDef时序结构体配置的延时参数，将作为下一节的FMC SDRAM初始化结构体的一个成员。

这个结构体，除最后一个成员是上一小节讲解的时序配置外，其他结构体成员的配置都对应到FMC_SDCR中的寄存器位。各个成员意义在前面的小节已有具体讲解，其可选参数介绍如下，括号中的是STM32标准库定义的宏：

配置完SDRAM初始化结构体后，调用FMC_SDRAMInit函数把这些配置写入到FMC的SDRAM控制寄存器和时序寄存器，实现FMC的初始化。

控制SDRAM时需要各种命令，通过向FMC的命令模式寄存器FMC_SDCMR写入控制参数，即可控制FMC对外发送命令，为了方便使用，STM32标准库也把它封装成了结构体。 命令结构体中的各个成员介绍如下：

配置完这些结构体成员，调用库函数FMC_SDRAMCmdConfig即可把这些参数写入到FMC_SDCMR寄存器中，然后FMC外设就会发送相应的命令了。