STM32的内存扩展应用实现，小内存的单片机也能干大事（FSMC+SRAM）

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目录

0 引言

1 FSMC有什么用？

2 FSMC总体框图

3 FSMC外部设备地址映像

4 FSMC相关寄存器及配置参数

4.1 FSMC_BCRx 片选控制寄存器

4.2 FSMC_BTRx 片选时序寄存器

4.3 FSMC_BWTRx 片选写时序寄存器

5 FSMC扩展外部SRAM的硬件实现

6 FSMC扩展外部SRAM的软件实现

7 总结

0 引言

最近做的项目有这样一个需求：从FLASH读取数据后进行显示、发送、本地SD卡存储，显示部分是显示在串口屏上。这个需求乍一看其实还不难实现，但是如果要从FLASH中读取的数据量很大，远超过MCU的内部RAM容量怎么办？其实，可以分多次读取，但是一样的道理，就需要分多次发送数据给串口屏，这样多次读取+多次发送会造成总体时间的增大；另外一个解决办法就是扩展RAM，一次性读取大量数据到外部RAM，再发送给串口屏，这样能很大程度减小整体的耗时。

        因为有上面这个需求，才有了本篇博文，此处涉及的技术点包括：FSMC接口、内存管理两大块，这两块在网络上已经有大量的资料了，本篇博文本着记录总结的目的，综合讲述下FSMC的原理、相关寄存器、参数设置方法、内存管理方法。

1 FSMC有什么用？

        玩过单片机的都知道，控制外部存储器涉及到地址线、数据线、控制线，再按照时序读写就行了，这个FSMC其实基本原理就是上面说的，FSMC，即灵活的静态存储控制器，能够与同步或异步存储器和 16 位 PC 存储器卡连接，STM32 的 FSMC 接口支持包括 SRAM、 NAND FLASH、 NOR FLASH 和 PSRAM 等存储器。

        为了有一个更清晰的认识，博主在网上搜索了不少资料，有一位老手在论坛中讲的是真不错，一看就是从51时代过来的，下面文字略微修改，请欣赏：

看起来你没有玩过51，我给你讲讲历史吧。 最早CPU要访问外部RAM需要三条总线：地址总线、数据总线（以16条地址线8位存储器为例）和控制总线。 地址总线：A0到A15共计16根地址线； 数据总线：D0到D7共计8根数据线； 控制总线：至少包括读写控制等控制线； CPU要访问外部RAM，就得靠这些线来进行控制： 1）首先，在这16根地址线上呈现地址值，指示要访问的目标地址，使得外部RAM可以定位到存储单元； 2）接着，要让控制总线上呈现是读还是要写，好让外部RAM做好准备； 3）最后，如果是读，则外部RAM就把指定地址存储器的值8位呈现在D0到D7上，由CPU取走。如果是写，则CPU自己把8位值输出呈现在D0到D7上，由外部RAM接收后改写存储器的值。         这整个过程都是由硬件来实现的，完全没有任何一句用户代码来参与的，是CPU设计之初就定义实现好的，这个过程的时间关系就叫做时序。一定要记住一点，总线是硬件实现的，有严格的规定好的时序。         可以看到，这种对引脚要求是比较多的，16条地址线加8条数据线再加控制线必须有25根线以上，所以8051为了省线，将8条数据线和地址线的低8位进行了时分复用（称为AD0到AD7），这样就可以省掉8根线，但代价是必须由外部增加锁存器来锁存地址的低8位（现在的外部RAM可以理解为将锁存器做到了芯片中）。但过程仍是上述描述的内容。即使这样，仍需要引脚近20根，如果存储量大，地址线更多，这些线就是STM32的FSMC，FSMC即灵活的静态存储器控制器，就是用来驱动外部总线，做上面所描述的工作的。         为什么说是灵活的，我想主要是因为它可以通过事先对一些时间等参数进行设置调整，可以适应不同厂家参数有差异的SRAM或者像LCD、OLED等类似外设。但这些参数设定一次之后，整个控制时序关系就固定了，总线在具体工作的时候就不再需要用户来操心了，这就是硬件实现的优点，速度快且不占用CPU的计算资源。         至于IO，我想就不用解释了，就是CPU的输入输出端口，可以由CPU控制读写的一个个外部引脚，既然可以控制，就有人仿造总线的时序，用多个IO来通过软件控制的方式来模拟外部总线，比如8051没有SPI接口，就可以用至少三个IO口来分别模拟SCLK时钟，MOSI和MISO数据线。事实上，你也可以用二十几个IO来模拟上面所说的三条总线，但每一次的读写你都得按照时间顺序来控制这二十几个IO端口，你可以把它编好后写成函数，但仍然是占用CPU大量资源的，这就是软件实现的弊端，速度慢且占用CPU的计算资源。         STM32向外提供了灵活的总线访问接口即FSMC，无须你用IO来模拟，就如同8051的地址数据总线一样以硬件的方式来自动工作。不仅如此，如果你的系统用不到FSMC接口，STM32还可以把预备FSMC使用的端口让出来，使它可以当成普通IO一样来使用，从而节省宝贵的外部引脚空间。

2 FSMC总体框图

        由如下FSMC框图可知，STM32 的 FSMC 将外部设备分为 3 类： NOR/PSRAM 设备、 NAND设备、 PC 卡设备。他们共用地址数据总线等信号，他们具有不同的 CS 以区分不同的设备。用一个FSMC接口就可以匹配不同的外部存储设备，自已看出这个接口的灵活了。         若要连接外部 SRAM，外部 SRAM 的控制一般有：地址线（如 A0~A18）、数据线（如D0~D15，FSMC支持8/16/32位数据宽度）、写信号（WE）、读信号（OE）、片选信号（CS），如果 SRAM 支持字节控制，那么还有 UB/LB 信号，硬件连线没有多么复杂。

3 FSMC外部设备地址映像

        如下图所示，STM32 的FSMC 将外部存储器划分为固定大小为 256M 字节的四个存储块Bank，总共管理1GB的空间。

   此处及其后，以Bank1为例进一步说明，存储块Bank1分为4个区，每个区管理 64M 字节空间，每个区都有独立的寄存器对所连接的存储器进行配置。 Bank1 的 256M 字节空间由 28 根地址线（HADDR[27:0]）寻址。这 里 HADDR 是 内 部 AHB 地址 总线 ，其 中 HADDR[25:0] 来自 外部存 储 器地 址FSMC_A[25:0]，而 HADDR[26:27]对 4 个区进行寻址。

4 FSMC相关寄存器及配置参数

STM32 的 FSMC 各 Bank 配置寄存器如下：

        红框标记的是对于NOR FLASH或SRAM配置涉及的寄存器，通过这 3 个寄存器， 可以设置FSMC 访问外部存储器的时序参数，拓宽了可选用的外部存储器的速度范围。

        FSMC 的 NOR FLASH 控制器支持同步和异步突发两种访问方式。

【同步突发访问方式】 ：FSMC 将 HCLK(系统时钟)分频后，发送给外部存储器作为同步时钟信号 FSMC_CLK。此时需要的设置的时间参数有 2 个： 1） HCLK 与 FSMC_CLK 的分频系数(CLKDIV)，可以为 2～16 分频； 2）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 综合了 SRAM／ROM、PSRAM 和 NOR Flash 产品的信号特点，定义了 4 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：

        在实际扩展时，根据选用存储器的特征确定时序模型，从而确定各时间参数与存储器读／写周期参数指标之间的计算关系；利用该计算关系和存储芯片数据手册中给定的参数指标，可计算出 FSMC 所需要的各时间参数，从而对时间参数寄存器进行合理的配置。

4.1 FSMC_BCRx 片选控制寄存器

FSMC_BCRx（x=1~4），该寄存器包含每个存储块的使能配置信息，各位描述：

• EXTMOD：扩展模式使能位，也就是是否允许读写不同的时序。
• WREN：写使能位。
• MWID[1:0]：存储器数据总线宽度。 00，表示 8 位数据模式； 01 表示 16 位数据模式； 10 和11 保留。
• MTYP[1:0]：存储器类型。 00 表示 SRAM、 ROM； 01 表示 PSRAM； 10 表示 NOR FLASH;11保留。
• MBKEN：存储块使能位。

4.2 FSMC_BTRx 片选时序寄存器

        FSMC_BTRx（x=1~4），该寄存器包含每个存储块的时序控制信息，可用于 SRAM、ROM 和 NOR 闪存存储器，各位描述：

• 有两个时序寄存器：如果 FSMC_BCRx 寄存器中设置了 EXTMOD 位，则有两个时序寄存器分别对应读(本寄存器)和写操作(FSMC_BWTRx 寄存器)。
• ACCMOD[1:0]：访问模式。 00 表示访问模式 A； 01 表示访问模式 B； 10 表示访问模式 C；11 表示访问模式 D。
• DATAST[7:0]：数据保持时间。0为保留设置，其他设置则代表保持时间为: DATAST个HCLK时钟周期，最大为 255 个 HCLK 周期。
• ADDSET[3:0]：地址建立时间。其建立时间为： ADDSET 个 HCLK 周期，最大为 15 个 HCLK周期。

4.3 FSMC_BWTRx 片选写时序寄存器

        FSMC_BWTRx（x=1~4），该寄存器各位描述：

        该寄存器在本章用作写操作时序控制寄存器，需要用到的设置同样是： ACCMOD、DATAST 和 ADDSET 这三个设置。这三个设置的方法同 FSMC_BTRx 一模一样，只是这里对应的是写操作的时序。

        需要注意的是，在 MDK 的寄存器定义里面，并没有定义 FSMC_BCRx、 FSMC_BTRx、 FSMC_BWTRx 等这个单独的寄存器，而是将他们进行了一些组合。

5 FSMC扩展外部SRAM的硬件实现

【硬件资源】：

• MCU：STM32F103ZET6
• SRAM：IS62WV51216，16位宽512K（512*16，1M字节）的CMOS静态内存芯片，45ns/55ns访问速度，低功耗，TTL电平兼容，全静态操作，三态输出，支持高低字节控制。功能框图如下：

  【MCU与SRAM硬件连接】

        这里本没什么好讲的，唯一值的说的就是MCU的FSMC_A0-A18和SRAM的A0-A18没有对应，是乱序的，但是并不影响使用，这个原因是什么？

        原因就是SRAM地址具有唯一性。假设原来FSMC_A0-A18和A0-A18是一一对应的，这时，你把FSMC_A0和A1对调下，当MCU控制写地址1的时候，实际上写的是0x00000002，反过来读地址1的时候，实际上也是读的这个0x00000002地址，读写都是一个地址，那数据自然就不会错啊，就是这么个道理。起初我也没想明白，后来才懂了，而且这样乱序有另外一个好处，布线的时候更方便了。

6 FSMC扩展外部SRAM的软件实现

软件主要涉及的就是FSMC的配置工作，涉及到几个结构体（这里都是以NOR和SRAM为例）：

【FSMC_NORSRAMInitTypeDef】：前 13 个基本类型（unit32_t）的成员变量用来配置片选控制寄存器 FSMC_BCRx，后面两个SMC_NORSRAMTimingInitTypeDef 指针类型的成员变量分别用来配置寄存器 FSMC_BTRx 和 FSMC_BWTRx，设置读写时序参数。

typedef struct
{
  uint32_t FSMC_Bank;               //设置使用到的存储块标号和区号
  uint32_t FSMC_DataAddressMux;     //设置地址/数据复用使能，若设置为使能，那么地址的低 16 位
和数据将共用数据总线，仅对 NOR 和 PSRAM 有效
  uint32_t FSMC_MemoryType;          //设置存储器类型
  uint32_t FSMC_MemoryDataWidth;     //设置数据宽度
  uint32_t FSMC_BurstAccessMode;     //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_AsynchronousWait;    //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_WaitSignalPolarity;  //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_WrapMode;            //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_WaitSignalActive;    //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_WriteOperation;      //设置写使能
  uint32_t FSMC_WaitSignal;          //成组模式同步模式才需要设置
  uint32_t FSMC_ExtendedMode;        //设置扩展模式使能位，也就是是否允许读写不同的时序
  uint32_t FSMC_WriteBurst;          //成组模式同步模式才需要设置

  FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef* FSMC_ReadWriteTimingStruct;//初始化片选控制寄存器FSMC_BTRx 
  FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef* FSMC_WriteTimingStruct;   //初始化写操作时序控制寄存器FSMC_BWTRx
}FSMC_NORSRAMInitTypeDef;

【FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef】：

typedef struct
{
  uint32_t FSMC_AddressSetupTime;      //地址建立保持时间
  uint32_t FSMC_AddressHoldTime;       //地址保持时间
  uint32_t FSMC_DataSetupTime;         //数据建立时间

  uint32_t FSMC_BusTurnAroundDuration;  //总线周转期
  uint32_t FSMC_CLKDivision;           //分频系数
  uint32_t FSMC_DataLatency;           //

  uint32_t FSMC_AccessMode;            //模式
}FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef;

        C程序这里仅给出sram.c程序，在STM32F103平台使用的话加入.h 函数声明和FSMC 固件库文件 stm32f10x_fsmc.c、stm32f10x_fsmc.h 文件即可。

【sram.c】：

//使用NOR/SRAM的 BANK 4,地址位HADDR[27,26]=10 
//对IS61LV25616/IS62WV25616,地址线范围为A0~A17 
//对IS61LV51216/IS62WV51216,地址线范围为A0~A18
#define Bank1_SRAM3_ADDR    ((u32)(0x60000000 | 0x08000000))	
  						   
//初始化外部SRAM
void FSMC_SRAM_Init(void)
{	
	FSMC_NORSRAMInitTypeDef  FSMC_NORSRAMInitStructure;
	FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef  readWriteTiming;
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOF|RCC_APB2Periph_GPIOG|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
  	RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_FSMC,ENABLE);
  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 0xFF33; 			 	//PORTD复用推挽输出 
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 		 //推挽输出
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 0xFF83; 			 	//PORTE复用推挽输出 
 	GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

 	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 0xF03F; 			 	//PORTD复用推挽输出 
 	GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = 0x043F; 			 	//PORTD复用推挽输出 
 	GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
 
	 			  	  
 	readWriteTiming.FSMC_AddressSetupTime = 0x00;	 //地址建立时间（ADDSET）为1个HCLK 1/36M=27ns
    readWriteTiming.FSMC_AddressHoldTime = 0x00;	 //地址保持时间（ADDHLD）模式A未用到	
    readWriteTiming.FSMC_DataSetupTime = 0x03;		 //数据保持时间（DATAST）为3个HCLK 4/72M=55ns(对EM的SRAM芯片)	 
    readWriteTiming.FSMC_BusTurnAroundDuration = 0x00;
    readWriteTiming.FSMC_CLKDivision = 0x00;
    readWriteTiming.FSMC_DataLatency = 0x00;
    readWriteTiming.FSMC_AccessMode = FSMC_AccessMode_A;	 //模式A 

    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank = FSMC_Bank1_NORSRAM3;//  这里我们使用NE3 ，也就对应BTCR[4],[5]。
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_DataAddressMux = FSMC_DataAddressMux_Disable; 
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType =FSMC_MemoryType_SRAM;//SRAM   
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_16b;//存储器数据宽度为16bit  
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_BurstAccessMode =FSMC_BurstAccessMode_Disable;// FSMC_BurstAccessMode_Disable;
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignalPolarity = FSMC_WaitSignalPolarity_Low; 
	FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_AsynchronousWait=FSMC_AsynchronousWait_Disable;
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WrapMode = FSMC_WrapMode_Disable;  
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignalActive = FSMC_WaitSignalActive_BeforeWaitState; 
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteOperation = FSMC_WriteOperation_Enable;	//存储器写使能 
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignal = FSMC_WaitSignal_Disable;  
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_ExtendedMode = FSMC_ExtendedMode_Disable; // 读写使用相同的时序
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteBurst = FSMC_WriteBurst_Disable; 
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_ReadWriteTimingStruct = &readWriteTiming; // 读写使用相同的时序
    FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteTimingStruct = &readWriteTiming;  // 读写使用相同的时序

    FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_NORSRAMInitStructure);  //初始化FSMC配置

   	FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM3, ENABLE);  // 使能BANK3										  
											
}
	  														  
//在指定地址开始,连续写入n个字节.
//pBuffer:字节指针
//WriteAddr:要写入的地址
//n:要写入的字节数
void FSMC_SRAM_WriteBuffer(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u32 n)
{
	for(;n!=0;n--)  
	{										    
		*(vu8*)(Bank1_SRAM3_ADDR+WriteAddr)=*pBuffer;	  
		WriteAddr+=2;//这里需要加2，是因为STM32的FSMC地址右移一位对其.加2相当于加1.
		pBuffer++;
	}   
}																			    
//在指定地址开始,连续读出n个字节.
//pBuffer:字节指针
//ReadAddr:要读出的起始地址
//n:要写入的字节数
void FSMC_SRAM_ReadBuffer(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u32 n)
{
	for(;n!=0;n--)  
	{											    
		*pBuffer++=*(vu8*)(Bank1_SRAM3_ADDR+ReadAddr);    
		ReadAddr+=2;//这里需要加2，是因为STM32的FSMC地址右移一位对其.加2相当于加1.
	}  
} 

7 总结

        STM32的FSMC接口对于有扩展内存需求的应用来说很便利，根据器件读写时序参数进行设置即可，本博文详细讲解了FSMC的原理、寄存器设置，相关的设置结构体参数，并给出了C程序源码。扩展内存，使用时最好结合内存管理，内存管理的原理也很简单，此处不再赘述了。若使用RTOS，像freeRTOS和uC/OS，有好几种内存管理方法，常用的就是heap4，需求的查阅下相关资料，此处收尾了，祝生活愉快。

【参考资料】：

IO口和FSMC的详细区别

作于202109092010，已归档

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