基本介紹
- 中文名：可變靜態存儲控制器
- 外文名：Flexible Static Memory Controller
- 相關係列：STM32系列
- 用途：大容量靜態存儲器的擴展。
引言,機制,配置,結語,
引言
STM32是ST(意法半導體)公司推出的基於ARM核心Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3核心是為低功耗和價格敏感的套用而專門設計的，具有突出的能效比和處理速度。通過採用Thumb－2高密度指令集，Cortex－M3核心降低了系統存儲要求，同時快速的中斷處理能夠滿足控制領域的高實時性要求，使基於該核心設計的STM32系列微控制器能夠以更優越的性價比，面向更廣泛的套用領域。
STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用於工業控制、智慧型家電、建築安防、醫療設備以及消費類電子產品等多方位嵌入式系統設計。STM32系列採用一種新型的存儲器擴展技術——FSMC，在外部存儲器擴展方面具有獨特的優勢，可根據系統的套用需要，方便地進行不同類型大容量靜態存儲器的擴展。
機制
FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態存儲控制器)是STM32系列中內部集成256 KB以上FlaSh，後綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機制。之所以稱為“可變”，是由於通過對特殊功能暫存器的設定，FSMC能夠根據不同的外部存儲器類型，發出相應的數據/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠套用各種不同類型、不同速度的外部靜態存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態存儲器，滿足系統設計對存儲容量、產品體積以及成本的綜合要求。
FSMC技術優勢
②支持豐富的存儲操作方法。FSMC不僅支持多種數據寬度的異步讀/寫操作，而且支持對NOR/PSRAM/NAND存儲器的同步突發訪問方式。
③支持同時擴展多種存儲器。FSMC的映射地址空間中，不同的BANK是獨立的，可用於擴展不同類型的存儲器。當系統中擴展和使用多個外部存儲器時，FSMC會通過匯流排懸空延遲時間參數的設定，防止各存儲器對匯流排的訪問衝突。
⑤支持代碼從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。
FSMC內部結構
STM32微控制器之所以能夠支持NOR Flash和NAND Flash這兩類訪問方式完全不同的存儲器擴展，是因為FSMC內部實際包括NOR Flash和NAND/PC Card兩個控制器，分別支持兩種截然不同的存儲器訪問方式。在STM32內部，FSMC的一端通過內部高速匯流排AHB連線到核心Cortex－M3，另一端則是面向擴展存儲器的外部匯流排。核心對外部存儲器的訪問信號傳送到AHB匯流排後，經過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，實現核心與外部存儲器之間的數據互動。FSMC起到橋樑作用，既能夠進行信號類型的轉換，又能夠進行信號寬度和時序的調整，禁止掉不同存儲類型的差異，使之對核心而言沒有區別。
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個大小為256 MB的BANK，每個BANK又劃分為4個64 MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2個控制器管理的映射地址空間不同。NOR Flash控制器管理第1個BANK，NAND/PC Card控制器管理第2～4個BANK。由於兩個控制器管理的存儲器類型不同，擴展時應根據選用的存儲設備類型確定其映射位置。其中，BANK1的4個子BANK擁有獨立的片選線和控制暫存器，可分別擴展一個獨立的存儲設備，而BANK2～BANK4隻有一組控制暫存器。
表1：FSMC映射地址空間
配置
FSMC擴展NOR Flash配置
SRAM/ROM、NOR Flash和PSRAM類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最為複雜。通過FSMC擴展外部存儲器時，除了傳統存儲器擴展所需要的硬體電路外，還需要進行FSMC初始化配置。FSMC提供大量、細緻的可程式參數，以便能夠靈活地進行各種不同類型、不同速度的存儲器擴展。外部存儲器能否正常工作的關鍵在於：用戶能否根據選用的存儲器型號，對配置暫存器進行合理的初始化配置。
確定映射地址空間
①硬體電路中用於選中該存儲器的片選線FSMC_NEi(i為子BANK號，i=1，…，4)；
②FSMC配置中用於配置該外部存儲器的特殊功能暫存器號(如表1所列)。
配置存儲器基本特徵
通過對FSMC特殊功能暫存器FSMC_BCRi(i為子BANK號，i=1，…，4)中對應控制位的設定，FSMC根據不同存儲器特徵可靈活地進行工作方式和信號的調整。根據選用的存儲器晶片確定需要配置的存儲器特徵，主要包括以下方面：
①存儲器類型(MTYPE)是SRAM/ROM、PSRAM，還是NOR FlaSh；
③存儲晶片的數據線寬度(MWID)，FSMC支持8位/16位兩種外部數據匯流排寬度；
④對於NOR Flash(PSRAM)，是否採用同步突發訪問方式(B URSTEN)；
⑤對於NOR Flash(PSRAM)，NWAIT信號的特性說明(WAITEN、WAITCFG、WAITPOL)；
⑥對於該存儲晶片的讀/寫操作，是否採用相同的時序參數來確定時序關係(EXTMOD)。
配置存儲器時序參數
①HCLK與FSMC_CLK的分頻係數(CLKDIV)，可以為2～16分頻；
②同步突發訪問中獲得第1個數據所需要的等待延遲(DATLAT)。
對於異步突發訪問方式，FSMC主要設定3個時間參數：地址建立時間(ADDSET)、數據建立時間(DATAST)和地址保持時間(ADDHLD)。FSMC綜合了SRAM/ROM、PSRAM和NOR Flash產品的信號特點，定義了4種不同的異步時序模型。選用不同的時序模型時，需要設定不同的時序參數，如表2所列。在實際擴展時，根據選用存儲器的特徵確定時序模型，從而確定各時間參數與存儲器讀/寫周期參數指標之間的計算關係；利用該計算關係和存儲晶片數據手冊中給定的參數指標，可計算出FSMC所需要的各時間參數，從而對時間參數暫存器進行合理的配置。
3 STM32擴展S29GL系列NOR Flash實例
S29GL系列NOR Flash簡介
Spansion公司的S29GL系列晶片是採用90nm技術製造的高集成度NOR Flash存儲晶片，提供16～128 MB可選容量，支持最快25 ns的頁訪問速度和110 ns的隨機訪問速度，帶有最大64位元組的寫緩衝區，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個子BANK。
STM32與S29GL512P的電路連線
S25GL512P可通過控制引腳BYTE選擇對晶片的訪問單位(字/位元組)，區別在於：
②字模式時，數據引腳D0～D15上傳送數據信號；位元組模式時，只有D0～D7上有信號。
此處，將BYTE上拉到高電平，選擇16位的字訪問單位。FSMC數據線FSMC_D[15：0]與S29GL512P的D15～D0對應連線；FSMC地址線FSMC_A[25：0]的低25根與S29GL512P的地址線A[24：0]對應連線。
由於S29GL512P晶片映射到BANK1的子BANK2，可確定其片選線應連線FSMC片選控制線FSMC_NE2。S29GL512P的RY/BY引腳連線FSMC的FSMC_NWAIT引腳，提供等待信號。
FSMC的配置
根據S29GL512P的映射位置，需要對FSMC_BCR2和FSMC_BTR2/BWTR2暫存器進行配置。
(1)FSMC_BCR2
配置S29GL512P的讀/寫採用統一時間參數，只需要設定時間暫存器FSMC_BTR2。配置存儲器類型為NORFlash，數據匯流排寬度為16位(字)，不採用地址/數據復用，使能BANK1的子BANK2。
(2)FSMC_BTR2
由表2可知，異步NOR Flash時序模型Mode2/B需要設定時間參數DATAST和ADDSET。根據時序圖，兩個參數的計算公式如下：
式中：Twc和Trc為所選存儲晶片的寫周期長度和讀操作周期長度；Twp為所選存儲晶片的寫信號持續長度。根據S29GL512P用戶手冊，可知參數Twc=Trc=130 ns，Twp=35 ns。設STM32微控制器採用72 MHz主頻，則HCLK=(1/72×10-6)s。通過上述公式計算，可取值為：DATAST=2，ADDSET=5。
為了達到更好的控制效果，還應考慮FSMC自身延遲問題，使用校正公式：
式中：TAVQV為所選存儲晶片訪問過程中，從地址有效至數據有效的時間域；Tsu(Data_NE)為STM32特徵參數，從數據有效到FSMC_NE(片選)失效時間域；Ttv(A_NE)為STM32特徵參數，從FSMC_NE有效至地址有效的時間域。
TAVQV=130 ns，Tsu(Data_NE)+Ttv(A_NE]=36 ns，對DATAST參數進行校正，可得DATAST=3。
套用STM32固件對FSMC進行初始化配置
ST公司為用戶開發提供了完整、高效的工具和固件庫，其中使用C語言編寫的固件庫提供了覆蓋所有標準外設的函式，使用戶無需使用彙編操作外設特性，從而提高了程式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個數據結構和3個函式。
數據結構FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef對應 時間參數暫存器FSMC_BTR和FSMC_BWTR的結構定義；
FSMC_NORSRAMinitTypeDef對應特徵配置暫存器FSMC_BCR的結構定義，並包含2個指向對應BANK的FSMC_BTR和FSMC_BWTR暫存器的FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef結構指針。針對上述S29GL512P晶片擴展要求，利用固件庫進行的主要初始化操作如下：
