STM32学习之Flash（主存储块、系统存储器和选项字节）详解

痛苦的滋味

    说到STM32的FLSAH，我们的第一反应是用来装程序的，实际上，STM32的片内FLASH不仅用来装程序，还用来装芯片配置、芯片ID、自举程序等等。当然， FLASH还可以用来装数据。
     自己收集了一些资料，现将这些资料总结了一下，不想看的可以直接调到后面看怎么操作就可以了。
FLASH分类  
     根据用途，STM32片内的FLASH分成两部分：主存储块、信息块。 主存储块用于存储程序，我们写的程序一般存储在这里。 信息块又分成两部分：系统存储器、选项字节。  系统存储器存储用于存放在系统存储器自举模式下的启动程序（BootLoader），当使用ISP方式加载程序时，就是由这个程序执行。这个区域由芯片厂写入BootLoader，然后锁死，用户是无法改变这个区域的。 选项字节存储芯片的配置信息及对主存储块的保护信息。   

FLASH的页面  
      STM32的FLASH主存储块按页组织，有的产品每页1KB，有的产品每页2KB。页面典型的用途就是用于按页擦除FLASH。从这点来看，页面有点像通用FLASH的扇区。

STM32产品的分类  
      STM32根据FLASH主存储块容量、页面的不同，系统存储器的不同，分为小容量、中容量、大容量、互联型，共四类产品。  
小容量产品主存储块1-32KB，     每页1KB。系统存储器2KB。
中容量产品主存储块64-128KB，   每页1KB。系统存储器2KB。
大容量产品主存储块256KB以上，  每页2KB。系统存储器2KB。
互联型产品主存储块256KB以上，  每页2KB。系统存储器18KB。
     对于具体一个产品属于哪类，可以查数据手册，或根据以下简单的规则进行区分：  
STM32F101xx、STM32F102xx 、STM32F103xx产品，根据其主存储块容量，一定是小容量、中容量、大容量产品中的一种，STM32F105xx、STM32F107xx是互联型产品。  
     互联型产品与其它三类的不同之处就是BootLoader的不同，小中大容量产品的BootLoader只有2KB，只能通过USART1进行ISP，而互联型产品的BootLoader有18KB，能通过USAT1、4、CAN等多种方式进行ISP。小空量产品、中容量产品的BootLoader与大容量产品相同。

关于ISP与IAP
      ISP（In System Programming）在系统编程，是指直接在目标电路板上对芯片进行编程，一般需要一个自举程序（BootLoader）来执行。ISP也有叫ICP（In Circuit Programming）、在电路编程、在线编程。 IAP（In Application Programming）在应用中编程，是指最终产品出厂后，由最终用户在使用中对用户程序部分进行编程，实现在线升级。IAP要求将程序分成两部分：引导程序、用户程序。引导程序总是不变的。IAP也有叫在程序中编程。 ISP与IAP的区别在于，ISP一般是对芯片整片重新编程，用的是芯片厂的自举程序。而IAP只是更新程序的一部分，用的是电器厂开发的IAP引导程序。综合来看，ISP受到的限制更多，而IAP由于是自己开发的程序，更换程序的时候更容易操作。

FPEC
     FPEC(FLASH Program/Erase controller 闪存编程/擦除控制器)，STM32通过FPEC来擦除和编程FLASH。FPEC使用7个寄存器来操作闪存：

FPEC键寄存器(FLASH_KEYR)          写入键值解锁。
选项字节键寄存器(FLASH_OPTKEYR)   写入键值解锁选项字节操作。
闪存控制寄存器(FLASH_CR)          选择并启动闪存操作。
闪存状态寄存器(FLASH_SR)          查询闪存操作状态。
闪存地址寄存器(FLASH_AR)          存储闪存操作地址。
选项字节寄存器(FLASH_OBR)         选项字节中主要数据的映象。
写保护寄存器(FLASH_WRPR)          选项字节中写保护字节的映象。

键值
     为了增强安全性，进行某项操作时，须要向某个位置写入特定的数值，来验证是否为安全的操作，这些数值称为键值。STM32的FLASH共有三个键值：
      RDPRT键 = 0x000000A5  用于解除读保护
      KEY1    = 0x45670123  用于解除闪存锁
      KEY2    = 0xCDEF89AB  用于解除闪存锁

闪存锁
     在FLASH_CR中，有一个LOCK位，该位为1时，不能写FLASH_CR寄存器，从而也就不能擦除和编程FLASH，这称为闪存锁。
当LOCK位为1时，闪存锁有效，只有向FLASH_KEYR依次写入KEY1、KEY2后，LOCK位才会被硬件清零，从而解除闪存锁。当LOCK位为1时，对
FLASH_KEYR的任何错误写操作（第一次不是KEY1，或第二次不是KEY2），都将会导致闪存锁的彻底锁死，一旦闪存锁彻底锁死，在下一次复位前，都无法解锁，只有复位后，闪存锁才恢复为一般锁住状态。
复位后，LOCK位默认为1，闪存锁有效，此时，可以进行解锁。解锁后，可进行FLASH的擦除编程工作。任何时候，都可以通过对LOCK位置1来软件加锁，软件加锁与复位加锁是一样的，都可以解锁。  

主存储块的擦除
     主存储块可以按页擦除，也可以整片擦除。

页擦除
     主存储块的任何一页都可以通过FPEC的页擦除功能擦除。 建议使用以下步骤进行页擦除：
1．检查FLASH_SR寄存器的BSY位。以确认没有其他正在进行的闪存操作。必须等待BSY位为0，才能继续操作。
2．设置FLASH_CR寄存器的PER位为1。选择页擦除操作。
3．设置FLASH_AR寄存器为要擦除页所在地址，选择要擦除的页。FLASH_AR的值在哪一页范围内，就表示要擦除哪一页。
4．设置FLASH_CR寄存器的STRT位为1，启动擦除操作。
5．等待FLASH_SR寄存器的BSY位变为0，表示操作完成。
6．查询FLASH_SR寄存器的EOP位，EOP为1时，表示操作成功。   
7．读出被擦除的页并做验证。擦完后所有数据位都为1。

整片擦除
     整片擦除功能擦除整个主存储块，信息块不受此操作影响。 建议使用以下步骤进行整片擦除：
1．检查FLASH_SR寄存器的BSY位，以确认没有其他正在进行的闪存操作。
2．设置FLASH_CR寄存器的MER位为1。选择整片擦除操作。   
3．设置FLASH_CR寄存器的STRT位为1。启动整片擦除操作。   
4．等待FLASH_SR寄存器的BSY位变为0，表示操作完成。
5．查询FLASH_SR寄存器的EOP位，EOP为1时，表示操作成功。   
6．读出所有页并做验证。擦完后所有数据位都为1。

主存储块的编程
     对主存储块编程每次可以写入16位。当FLASH_CR寄存器的PG位为1时，在一个闪存地址写入一个半字（16位）将启动一次编程；写入任何非半字的数据，FPEC都会产生总线错误。在编程过程中(BSY位为1时)，任何读写闪存的操作都会使CPU暂停，直到此次闪存编程结束。 建议使用如下步骤对主存储块进行编：
1．检查FLASH_SR寄存器的BSY位，以确认没有其他正在进行的编程操作。  
2．设置FLASH_CR寄存器的PG位为1。选择编程操作。  
3．在指定的地址写入要编程的半字。直接用指针写。
4．等待FLASH_SR寄存器的BSY位变为0，表示操作完成。
5．查询FLASH_SR寄存器的EOP位，EOP为1时，表示操作成功。
6．读出写入的地址并验证数据。

关于主存储块擦除编程操作的一些疑问
1． 为什么每次都要检查BSY位是否为0？
     因为BSY位为1时，不能对任何FPEC寄存器执行写操作，所以必须要等BSY位为0时，才能执行闪存操作。
2． 如果没有擦除就进行编程，会出现什么结果？
      STM32在执行编程操作前，会先检查要编程的地址是否被擦除，如果没有，则不进行编程，并置FLASH_SR寄存器的PGERR位为1。唯一例外的是，当要编程的数据为0X0000时，即使未擦除，也会进行编程，因为0X0000即使擦除也可以正确编程。
3． 为什么操作后要读出数据并验证？
      STM32在某些特殊情况下（例如FPEC被锁住），可能根本就没有执行所要的操作，仅通过寄存器无法判断操作是否成功。所以，保险起见，操作后都要读出所有数据检查。
4． 等待BSY位为1的时间以多少为合适？
     请参考STM32固件库中的数据。
5． FLASH编程手册上说进行闪存操作（擦除或编程）时，必须打开内部的RC振荡器(HSI)，是不是一定要用HIS进行闪存的擦除及编程操作？
     对于这点，我的理解是，进行闪存操作时，必须要保证HIS没有被关闭，但是操作时的系统仍然可以是HSE时钟。STM32复位后，HIS默认是开的，只要你不为了低功耗去主动关闭它，则用什么时钟都可以进行闪存操作的。我所编的程序也验证了这一点。

选项字节
     选项字节用于存储芯片使用者对芯片的配置信息。
目前，所有的STM32101xx、STM32102xx、STM32103xx、STM32105xx、STM32107xx产品，选项字节都是16字节。但是这16字节，每两个字节组成一个正反对，即，字节1是字节0的反码，字节3是字节2的反码，．．．，字节15是字节14的反码，所以，芯片使用者只要设置8个字节就行了，另外8个字节系统自动填充为反码。因此，有时候，也说STM32的选项字节是8个字节，但是占了16字节的空间。选项字节的8字节正码概述如下：

RDP   字节0。读保护字节，存储对主存储块的读保护设置。
USER  字节2。用户字节，配置看门狗、停机、待机。
Data0  字节4。数据字节0，由芯片使用者自由使用。
Data1  字节6。数据字节1，由芯片使用者自由使用。
WRP0  字节8。写保护字节0，存储对主存储块的写保护设置。
WRP1  字节10。写保护字节1，存储对主存储块的写保护设置。
WRP2  字节12。写保护字节2，存储对主存储块的写保护设置。
WRP3  字节14。写保护字节3，存储对主存储块的写保护设置。

选项字节写使能
     在FLASH_CR中，有一个OPTWRE位，该位为0时，不允许进行选项字节操作（擦除、编程）。这称为选项字节写使能。只有该位为1时，才能进行选项字节操作。 该位不能软件置1，但可以软件清零。只有向FLASH_OPTKEYR依次写入KEY1和KEY2后，硬件会自动对该位置1，此时，才允许选项字节操作。这称为解锁（打开）选项字节写使能。该位为1后，可以由软件清零，关闭写使能。复位后，该位为0。错误操作不会永远关闭写使能，只要写入正确的键序列，则又可以打开写使能。写使能已打开时，再次打开，不会出错，并且依然是打开的。 很显然，进行选项字节操作前，先要解开闪存锁，然后打开选项字节写使能，之后，才能进行选项字节操作。

选项字节擦除
     建议使用如下步骤对选项字节进行擦除：
1．检查FLASH_SR寄存器的BSY位，以确认没有其他正在进行的闪存操作。  
2．解锁FLASH_CR寄存器的OPTWRE位。即，打开写使能。
3．设置FLASH_CR寄存器的OPTER位为1。选择选项字节擦除操作。  
4．设置FLASH_CR寄存器的STRT位为1。
5．等待FLASH_SR寄存器的BSY位变为0，表示操作完成。
6．查询FLASH_SR寄存器的EOP位，EOP为1时，表示操作成功。
7．读出选项字节并验证数据。
由于选项字节只有16字节，因此，擦除时是整个选项字节都被擦除了。

选项字节编程
     建议使用如下步骤对选项字节进行编程：
1．检查FLASH_SR寄存器的BSY位，以确认没有其他正在进行的编程操作。  
2．解锁FLASH_CR寄存器的OPTWRE位。即，打开写使能。  
3．设置FLASH_CR寄存器的OPTPG位为1。选择编程操作。  
4．写入要编程的半字到指定的地址。启动编程操作。
5．等待FLASH_SR寄存器的BSY位变为0，表示操作完成。
6．查询FLASH_SR寄存器的EOP位，EOP为1时，表示操作成功。
7．读出写入的选项字节并验证数据。 对选项字节编程时，FPEC使用半字中的低字节并自动地计算出高字节(高字节为低字节的反码)，并开始编程操作，这将保证选项字节和它的反码始终是正确的。

主存储块的保护
     可以对主存储块中的数据进行读保护、写保护。 读保护用于保护数据不被非法读出。防止程序泄密。
写保护用于保护数据不被非法改写，增强程序的健壮性。

读保护
     主存储块启动读保护后，简单的说具有以下特性：
1．从主存储块启动的程序，可以对整个主存储块执行读操作，不允许对主存储块的前4KB进行擦除编程操作，可以对4KB之后的区域进行擦除编程操作。
2．从SRAM启动的程序，不能对主存储块进行读、页擦除、编程操作，但可以进行主存储块整片擦除操作。
3．使用调试接口不能访问主存储块。这些特性足以阻止主存储器数据的非法读出，又能保证程序的正常运行。
只有当RDP选项字节的值为RDPRT键值时，读保护才被关闭，否则，读保护就是启动的。因此，擦除选项字节的操作，将启动主存储块的读保护。如果要关闭读保护，必须将RDP选项字节编程为RDPRT键值。并且，如果编程选项字节，使RDP由非键值变为键值（即由保护变为非保护）时，STM32将会先擦除整个主存储块，再编程RDP。芯片出厂时，RDP会事先写入RDPRT键值，关闭写保护功能。

写保护
      STM32主存储块可以分域进行写保护。如果试图对写保护的域进行擦除或编程操作，在闪存状态寄存器(FLASH_SR)中会返回一个写保护错误标志。STM32主存储块每个域4KB，WRP0-WRP3选项字节中的每一位对应一个域，位为0时，写保护有效。对于超过128KB的产品，WRP3．15保护了域31及之后的所有域。显然，擦除选项字节将导致解除主存储块的写保护。

选项字节与它的寄存器映象
我们知道，FPEC有两个寄存器存储了选项字节的映象。那么，选项字节本体（在FLASH中）与映象（在寄存器中）究竟有什么区别呢？
选项字节的本体只是个FLASH，它的作用只是掉电存储选项字节内容而以，真正起作用的是寄存器中的映象。即，一个配置是否有效，不是看本体，而是看映象。而映象是在复位后，用本体的值加载的，此后，除非复位，映象将不再改变。所以，更改本体的数据后，不会立即生效，只有复位加载到映象中后，才会生效。 有一点要注意的是，当更改本体的值，使主存储块读保护变为不保护时，会先擦除整片主存储块，然后再改变本体。这是唯一一个改变本体会引发的动作。但即使这样，读保护依然要等到复位后，加载到映象后，才会解除。
  
关于FLASH编程手册中文版的几处错误（不一定是，但是与我的理解不符）
1．选项字节编程一节中：
对FPEC解锁后，必须分别写入KEY1和KEY2(见2.3.1节)到FLASH_OPTKEYR寄存器，再设置FLASH_CR寄存器的OPTWRE位为’1’，此时可以对选项字节进行编程
实际上，对FLASH_OPTKEYR写入KEY1和KEY2后，OPTWRE位会被硬件置1，而不是用软件写1。这一点在后面的寄存器描述中也可以得到验证。 2．对读保护的描述中：
对读保护的数值对无法理解。正确的应该是，RDP为RDPRT键值时，解除读保护，为其它值时，读保护生效。

看了半天，原来只要几句就可以解决，当然是不考虑其他功能，只是简单的读写操作。
其中写操作如下：
     FLASH_Unlock();  //解锁FLASH编程擦除控制器
     FLASH_ClearFlag(FLASH_FLAG_BSY|FLASH_FLAG_EOP|FLASH_FLAG_PGERR|FLASH_FLAG_WRPRTERR);//清除标志位
     /*********************************************************************************
          //               FLASH_FLAG_BSY            FLASH忙标志位
          //               FLASH_FLAG_EOP            FLASH操作结束标志位
          //               FLASH_FLAG_PGERR            FLASH编写错误标志位
          //               FLASH_FLAG_WRPRTERR       FLASH页面写保护错误标净         
     **********************************************************************************/
     FLASH_ErasePage(FLASH_START_ADDR);     //擦除指定地址页
     FLASH_ProgramHalfWord(FLASH_START_ADDR+(addr+i)*2,dat); //从指定页的addr地址开始写
     FLASH_ClearFlag(FLASH_FLAG_BSY|FLASH_FLAG_EOP|FLASH_FLAG_PGERR|FLASH_FLAG_WRPRTERR);//清除标志位
     FLASH_Lock();    //锁定FLASH编程擦除控制器

从上面可以看出基本顺序是：解锁-》清除标志位（可以不要）-》擦除-》写半字-》清楚标志位（也可以不要）-》上锁。其中FLASH_START_ADDR是宏定义的0x8000000+2048*255,0x8000000是Flash的起始地址，2048是因为我用的是大容量芯片，根据上一笔记Flash地址可以看出芯片每页容量2K，即2048字节，255表示芯片的最后一页，这个根据不同芯片而定。之所以从后面页写起可以防止储存数据破坏用户程序。addr*2是因为每个数据占用2字节（半字），虽然写入的是1字节数据，但是编程是2字节为单位，也就是说一个字节的数据也会占用两个字节地址。


读操作如下：
    u16 value;
    value = *(u16*)(FLASH_START_ADDR+(addr*2));//从指定页的addr地址开始读




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