STM32與FPGA通信中FSMC操作實(shí)例

STM32是ST(意法半導(dǎo)體)公司推出的基于ARM內(nèi)核Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3內(nèi)核是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)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(nèi)核降低了系統(tǒng)存儲(chǔ)要求，同時(shí)快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計(jì)的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價(jià)比，面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

STM32系列微控制器為用戶提供了豐富的選擇，可適用于工業(yè)控制、智能家電、建筑安防、醫(yī)療設(shè)備以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等多方位嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。STM32系列采用一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)——FSMC，在外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類型大容量靜態(tài)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

PART 2 FMSC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1

FSMC技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①支持多種靜態(tài)存儲(chǔ)器類型。STM32通過(guò)FSMC可以與SRAM、ROM、PSRAM、NORFlash和NANDFlash存儲(chǔ)器的引腳直接相連。

②支持豐富的存儲(chǔ)操作方法。FSMC不僅支持多種數(shù)據(jù)寬度的異步讀／寫(xiě)操作，而且支持對(duì)NOR／PSRAM／NAND存儲(chǔ)器的同步突發(fā)訪問(wèn)方式。

③支持同時(shí)擴(kuò)展多種存儲(chǔ)器。FSMC的映射地址空間中，不同的BANK是獨(dú)立的，可用于擴(kuò)展不同類型的存儲(chǔ)器。當(dāng)系統(tǒng)中擴(kuò)展和使用多個(gè)外部存儲(chǔ)器時(shí)，F(xiàn)SMC會(huì)通過(guò)總線懸空延遲時(shí)間參數(shù)的設(shè)置，防止各存儲(chǔ)器對(duì)總線的訪問(wèn)沖突。

④支持更為廣泛的存儲(chǔ)器型號(hào)。通過(guò)對(duì)FSMC的時(shí)間參數(shù)設(shè)置，擴(kuò)大了系統(tǒng)中可用存儲(chǔ)器的速度范圍，為用戶提供了靈活的存儲(chǔ)芯片選擇空間。

⑤支持代碼從FSMC擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器中直接運(yùn)行，而不需要首先調(diào)入內(nèi)部SRAM。

2.2

FSMC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

STM32微控制器之所以能夠支持NORFlash和NANDFlash這兩類訪問(wèn)方式完全不同的存儲(chǔ)器擴(kuò)展，是因?yàn)镕SMC內(nèi)部實(shí)際包括NORFlash和NAND／PCCard兩個(gè)控制器，分別支持兩種截然不同的存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式。在STM32內(nèi)部，F(xiàn)SMC的一端通過(guò)內(nèi)部高速總線AHB連接到內(nèi)核Cortex－M3，另一端則是面向擴(kuò)展存儲(chǔ)器的外部總線。

內(nèi)核對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)信號(hào)發(fā)送到AHB總線后，經(jīng)過(guò)FSMC轉(zhuǎn)換為符合外部存儲(chǔ)器通信規(guī)約的信號(hào)，送到外部存儲(chǔ)器的相應(yīng)引腳，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與外部存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交互。FSMC起到橋梁作用，既能夠進(jìn)行信號(hào)類型的轉(zhuǎn)換，又能夠進(jìn)行信號(hào)寬度和時(shí)序的調(diào)整，屏蔽掉不同存儲(chǔ)類型的差異，使之對(duì)內(nèi)核而言沒(méi)有區(qū)別。

2.3

FSMC映射地址空間

FSMC管理1GB的映射地址空間。該空間劃分為4個(gè)大小為256MB的BANK，每個(gè)BANK又劃分為4個(gè)64MB的子BANK，如表1所列。FSMC中的2個(gè)控制器管理的映射地址空間不同。NORFlash控制器管理第1個(gè)BANK，NAND／PCCard控制器管理第2～4個(gè)BANK。

由于兩個(gè)控制器管理的存儲(chǔ)器類型不同，擴(kuò)展時(shí)應(yīng)根據(jù)選用的存儲(chǔ)設(shè)備類型確定其映射位置。其中，BANK1的4個(gè)子BANK擁有獨(dú)立的片選線和控制寄存器，可分別擴(kuò)展一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備，而B(niǎo)ANK2～BANK4只有一組控制寄存器。

PART 3 FSMC擴(kuò)展外部SRAM配置

3.1

FSMC擴(kuò)展外部SRAM配置

在STM32與FPGA進(jìn)行通信的時(shí)候，F(xiàn)PGA其實(shí)可以看做STM32外部的SRAM。因此相應(yīng)的配置可以參考對(duì)外部SRAM的配置。

SRAM／ROM、NORFlash和PSRAM類型的外部存儲(chǔ)器都是由FSMC的NORFlash控制器管理的，擴(kuò)展方法基本相同，其中NORFlash最為復(fù)雜。通過(guò)FSMC擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，除了傳統(tǒng)存儲(chǔ)器擴(kuò)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(xì)致的可編程參數(shù)，以便能夠靈活地進(jìn)行各種不同類型、不同速度的存儲(chǔ)器擴(kuò)展。外部存儲(chǔ)器能否正常工作的關(guān)鍵在于：用戶能否根據(jù)選用的存儲(chǔ)器型號(hào)，對(duì)配置寄存器進(jìn)行合理的初始化配置。

3.2

讀寫(xiě)時(shí)序控制

異步通信模式1：SRAM/CRAM

3.3

配置存儲(chǔ)器基本特征

通過(guò)對(duì)FSMC特殊功能寄存器FSMC_BCRi(i為子BANK號(hào)，i=1，…，4)中對(duì)應(yīng)控制位的設(shè)置，F(xiàn)SMC根據(jù)不同存儲(chǔ)器特征可靈活地進(jìn)行工作方式和信號(hào)的調(diào)整。根據(jù)選用的存儲(chǔ)器芯片確定需要配置的存儲(chǔ)器特征，主要包括以下方面：

①存儲(chǔ)器類型(MTYPE)是SRAM／ROM、PSRAM，還是NORFlaSh；

②存儲(chǔ)芯片的地址和數(shù)據(jù)引腳是否復(fù)用(MUXEN)，F(xiàn)SMC可以直接與AD0～AD15復(fù)用的存儲(chǔ)器相連，不需要增加外部器件；

③存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線寬度(MWID)，F(xiàn)SMC支持8位／16位兩種外部數(shù)據(jù)總線寬度；

④對(duì)于NORFlash(PSRAM)，是否采用同步突發(fā)訪問(wèn)方式(BURSTEN)；

⑤對(duì)于NORFlash(PSRAM)，NWAIT信號(hào)的特性說(shuō)明(WAITEN、WAITCFG、WAITPOL)；

⑥對(duì)于該存儲(chǔ)芯片的讀／寫(xiě)操作，是否采用相同的時(shí)序參數(shù)來(lái)確定時(shí)序關(guān)系(EXTMOD)。

3.4

配置存儲(chǔ)器時(shí)序參數(shù)

FSMC通過(guò)使用可編程的存儲(chǔ)器時(shí)序參數(shù)寄存器，拓寬了可選用的外部存儲(chǔ)器的速度范圍。FSMC的SRAM控制器支持同步和異步突發(fā)兩種訪問(wèn)方式。

選用同步突發(fā)訪問(wèn)方式時(shí)，F(xiàn)SMC將HCLK(系統(tǒng)時(shí)鐘)分頻后，發(fā)送給外部存儲(chǔ)器作為同步時(shí)鐘信號(hào)FSMC_CLK。

此時(shí)需要的設(shè)置的時(shí)間參數(shù)有2個(gè)：

①HCLK與FSMC_CLK的分頻系數(shù)(CLKDIV)，可以為2～16分頻；

②同步突發(fā)訪問(wèn)中獲得第1個(gè)數(shù)據(jù)所需要的等待延遲(DATLAT)。

對(duì)于異步突發(fā)訪問(wèn)方式，F(xiàn)SMC主要設(shè)置3個(gè)時(shí)間參數(shù)：地址建立時(shí)間(ADDSET)、數(shù)據(jù)建立時(shí)間(DATAST)和地址保持時(shí)間(ADDHLD)。FSMC綜合了SRAM／ROM、PSRAM和NORFlash產(chǎn)品的信號(hào)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(shè)置不同的時(shí)序參數(shù)，如表2所列。

在實(shí)際擴(kuò)展時(shí)，根據(jù)選用存儲(chǔ)器的特征確定時(shí)序模型，從而確定各時(shí)間參數(shù)與存儲(chǔ)器讀／寫(xiě)周期參數(shù)指標(biāo)之間的計(jì)算關(guān)系；利用該計(jì)算關(guān)系和存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中給定的參數(shù)指標(biāo)，可計(jì)算出FSMC所需要的各時(shí)間參數(shù)，從而對(duì)時(shí)間參數(shù)寄存器進(jìn)行合理的配置。

PART 4 STM32擴(kuò)展外部SRAM實(shí)例

4.1

難點(diǎn)解析

4.1.1 數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)化

第一個(gè)角度理解STM32有FSMC（其實(shí)其他芯片基本都有類似的總線功能），F(xiàn)SMC的好處就是你一旦設(shè)置好之后，WR(寫(xiě))、RD(讀)、DB0-DB15這些控制線和數(shù)據(jù)線，都是FSMC自動(dòng)控制的。打個(gè)比方，當(dāng)你在程序中寫(xiě)到：

*(volatileunsignedshortint*)(0x60000000)=val;

那么FSMC就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)的操作，其對(duì)應(yīng)的主控芯片的WE、RD這些腳，就會(huì)呈現(xiàn)出寫(xiě)的時(shí)序出來(lái)（即WE=0,RD=1），數(shù)據(jù)val的值也會(huì)通過(guò)

DB0-15自動(dòng)呈現(xiàn)出來(lái)(即FSMC-D0:FSMC-D15=val)。地址0x60000000會(huì)被呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上（即A0-A25=0，地址線的對(duì)應(yīng)最麻煩，要根據(jù)具體情況來(lái)。

4.1.2 硬件連接

硬件平臺(tái)：（STM32F103VC+EP3C5E144C8N）

將圖中的IS61WV512BLL改為FPGA對(duì)應(yīng)的接口即,可按照模式A-SRAM/PSRAM進(jìn)行連接。

那么在硬件上面，我們需要做的，僅僅是MCU和LCD控制芯片的連接關(guān)系：

WE-WR，均為低電平有效

RD-RD，均為低電平有效

FSMC-D0-15接LCDDB0-15

FSMC_NE1--CS接PD7

連接好之后，讀寫(xiě)時(shí)序都會(huì)被FSMC自動(dòng)完成。但是還有一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，就是RS沒(méi)有接因?yàn)樵贔SMC里面，根本就沒(méi)有對(duì)應(yīng)RS。怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候，有一個(gè)好方法，就是用某一根地址線來(lái)接RS。

比如我們選擇了A16這根地址線來(lái)接，那么當(dāng)我們要寫(xiě)寄存器（備注：此處應(yīng)為數(shù)據(jù)）的時(shí)候，我們需要RS，也就是A16(RS為高)置高。軟件中怎么做呢？也就是將FSMC要寫(xiě)的地址改成0x60010000，如下：

*(volatileunsignedshortint*)(0x60010000)=val;

這個(gè)時(shí)候，A16在執(zhí)行其他FSMC的同時(shí)會(huì)被拉高，因?yàn)锳0-A18要呈現(xiàn)出0x60010000。0x60010000里面的Bit17=1，就會(huì)導(dǎo)致A16為1。要讀數(shù)據(jù)（備注：此處為寄存器）時(shí)，地址由0x60010000改為了0x60000000，這個(gè)時(shí)候A16就為0了。

RS問(wèn)題：RS為0表示；讀寫(xiě)寄存器;RS為1，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)RAM；

4.2

STM32固件對(duì)FSMC進(jìn)行初始化配置

ST公司為用戶開(kāi)發(fā)提供了完整、高效的工具和固件庫(kù)，其中使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的固件庫(kù)提供了覆蓋所有標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)的函數(shù)，使用戶無(wú)需使用匯編操作外設(shè)特性，從而提高了程序的可讀性和易維護(hù)性。

STM32固件庫(kù)中提供的FSMC的SRAM控制器操作固件，主要包括1個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和3個(gè)函數(shù)。

FSMC_NORSRAMInitStructure（調(diào)用庫(kù)函數(shù)）

RCC_Configuration();（時(shí)鐘選擇）

NVIC_Configuration();（中斷優(yōu)先級(jí)）

FSMC_GPIO_Configuration();（連接IO口初始化）

FSMC_SRAM_Init();（FMSC配置）

USART_Initial();（UART1端口配置）

4.3

其他人調(diào)試遇到問(wèn)題點(diǎn)（摘錄）

項(xiàng)目中需要使用STM32和FPGA通信，使用的是地址線和數(shù)據(jù)線，在FPGA中根據(jù)STM32的讀寫(xiě)模式A的時(shí)序完成寫(xiě)入和讀取。之前的PCB設(shè)計(jì)中只使用了8跟數(shù)據(jù)線和8根地址線，調(diào)試過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題，在現(xiàn)在的PCB中使用了8根地址線和16根數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)寬度也改成了16位。

剛開(kāi)始是讀取數(shù)據(jù)不正確，后來(lái)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，STM32在16位數(shù)據(jù)寬度下有個(gè)內(nèi)外地址映射的問(wèn)題，只需要把FPGA中的設(shè)定的地址乘以2在STM32中訪問(wèn)就可以了，但是在寫(xiě)操作的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)寫(xiě)當(dāng)前地址的時(shí)候把后面的地址寫(xiě)成0的情況，比如說(shuō)我給FPGA中定義的偏移地址0x01寫(xiě)一個(gè)16位數(shù)據(jù)，按照地址映射，在STM32中我把地址寫(xiě)入0x02,。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)這個(gè)地址上的數(shù)據(jù)是對(duì)的，但是FPGA中0x02地址上的數(shù)據(jù)也變成了00。

塊1存儲(chǔ)區(qū)被劃分為4個(gè)NOR/PSRAM區(qū)，這四個(gè)區(qū)在內(nèi)部地址上是連續(xù)排列的。但是實(shí)際上每個(gè)區(qū)共用的是同一組地址線與數(shù)據(jù)線，因此需要有內(nèi)外的一個(gè)地址映射，因此在STM32中實(shí)際上有兩個(gè)地址，一個(gè)是在內(nèi)部訪問(wèn)的地址，另外一個(gè)是實(shí)際地址線輸出的地址。

HADDR[27:0]對(duì)應(yīng)的是需要轉(zhuǎn)換到外部存儲(chǔ)器的內(nèi)部AHB地址線，其HADDR[27:26]位用于選擇四個(gè)存儲(chǔ)塊之一。HADDR[25:0]包含外部存儲(chǔ)器地址。HADDR是字節(jié)地址，而不同的外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也不一樣，因此在數(shù)據(jù)寬度為8位和16位時(shí)映射關(guān)系也不一樣。

在數(shù)據(jù)寬度為8位時(shí)HADDR[25:0]與FSMC_A[25:0]對(duì)應(yīng)相連，這時(shí)候在STM32中訪問(wèn)的地址和實(shí)際地址線產(chǎn)生的地址是一致的。而在16位數(shù)據(jù)寬度時(shí)HADDR[25:1]與FSMC_A[24:0]對(duì)應(yīng)相連，HADDR[0]未接，這時(shí)候?qū)嶋H地址線上給出的地址為需要訪問(wèn)的偏移地址的一半。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際上是進(jìn)行了多次寫(xiě)入，導(dǎo)致把后面的地址也給寫(xiě)上了，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂，后來(lái)經(jīng)過(guò)學(xué)長(zhǎng)提醒，決定把訪問(wèn)的地址定義為16位的，原來(lái)是32位的，經(jīng)過(guò)測(cè)試問(wèn)題解決。

所以這兒也算是長(zhǎng)了經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槲抑挥昧?根地址線，為了避免可能的問(wèn)題，地址最好定義成對(duì)應(yīng)的位數(shù)。但是還是很納悶為什么之前八位數(shù)據(jù)線讀寫(xiě)的時(shí)候沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

PART 5 結(jié)語(yǔ)

STM32作為新一代ARMCortex-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(yīng)用領(lǐng)域；而其特殊的可變靜態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)FSMC具有高度的靈活性，對(duì)于存儲(chǔ)容量要求較高的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴(kuò)展多種不同類型和容量的存儲(chǔ)芯片，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

原文標(biāo)題：FSMC | STM32與FPGA通信

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