41. 读写内部FLASH¶
本章参考资料：《STM32F10x闪存编程参考手册》《STM32F10x 中文参考手册》、《STM32F10x规格书》、《Cortex-M3权威指南》。
41.1. STM32的内部FLASH简介¶
在STM32芯片内部有一个FLASH存储器，它主要用于存储代码，我们在电脑上编写好应用程序后，使用下载器把编译后的代码文件烧录到该内部FLASH中， 由于FLASH存储器的内容在掉电后不会丢失，芯片重新上电复位后，内核可从内部FLASH中加载代码并运行，见 图44_1。
图 44‑1 STM32的内部框架图
除了使用外部的工具（如下载器）读写内部FLASH外，STM32芯片在运行的时候，也能对自身的内部FLASH进行读写，因此，若内部FLASH存储了应用程序后还有剩余的空间，我们可以把它像外部SPI-FLASH那样利用起来，存储一些程序运行时产生的需要掉电保存的数据。
由于访问内部FLASH的速度要比外部的SPI-FLASH快得多，所以在紧急状态下常常会使用内部FLASH存储关键记录；为了防止应用程序被抄袭，有的应用会禁止读写内部FLASH中的内容，或者在第一次运行时计算加密信息并记录到某些区域，然后删除自身的部分加密代码，这些应用都涉及到内部FLASH的操作。
41.1.1. 内部FLASH的构成¶
STM32的内部FLASH包含主存储器、系统存储器以及选项字节区域，它们的地址分布及大小见 表44‑1（在《STM32参考手册》中没有关于其内部FLASH的说明，需要了解这些内容时，要查阅《STM32F10x闪存编程参考手册》）。
表 44‑1 STM32大容量产品内部FLASH的构成（摘自《STM32F10x闪存编程参考手册》）
区域 |
名称 |
块地址 |
大小 |
主存储器 |
页0 |
0x0800 0000 - 0x0800 07FF |
2 Kbytes |
页1 |
0x0800 0800 - 0x0800 0FFF |
2 Kbytes |
|
页2 |
0x0800 1000 - 0x0800 17FF |
2 Kbytes |
|
页3 |
0x0800 1800 - 0x0800 FFFF |
2 Kbytes |
|
. |
. |
. |
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. |
. |
. |
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. |
. |
. |
|
页255 |
0x0807 F800 - 0x0807 FFFF |
2 Kbytes |
|
系统存储区 |
0x1FFF F000 - 0x1FFF F7FF |
2 Kbytes |
|
选项字节 |
0x1FFF F800 - 0x1FFF F80F |
16 bytes |
各个存储区域的说明如下：
主存储器
一般我们说STM32内部FLASH的时候，都是指这个主存储器区域，它是存储用户应用程序的空间，芯片型号说明中的256K FLASH、512K FLASH都是指这个区域的大小。
主存储器分为256页，每页大小为2KB，共512KB。这个分页的概念，实质就是FLASH存储器的扇区，与其它FLASH一样，在写入数据前，要先按页（扇区）擦除。
注意上表中的主存储器是本实验板使用的STM32ZET6型号芯片的参数，即STM32F1大容量产品。若使用超大容量、中容量或小容量产品，它们主存储器的页数量、页大小均有不同，使用的时候要注意区分。
关于STM32内部FLASH的容量类型可根据它的型号名获知，见表 44‑2。
表 44‑2 STM32芯片的命名规则
型号范例 |
STM32 F 103 Z E T 6 |
家族 |
“STM32 “表示32bit的MCU |
产品类型 |
“F”表示基础型 |
具体特性 |
“103”基础型 |
引脚数目 |
“Z”表示144个引脚， 其他常用的为： C表示48引脚， R表示64引脚， V表示100引脚， “Z”表示144个引脚， B表示208引脚， N表示216引脚 |
FLASH大小 |
E表示512KB， 其他常用的为： 4表示16KB（小容量ld）， 6表示32KB（小容量ld）， 8表示64KB（中容量md）， B表示128KB（中容量md）， C表示256 KB（大容量hd）， E表示512 KB（大容量hd）， F表示768KB（超大容量xl）， G表示1024KB（超大容量xl）， |
封装 |
“T”表示QFP封装，这个是最常用的封装 |
温度 |
“6”表示温度等级为A ：-40~85° |
系统存储区
系统存储区是用户不能访问的区域，它在芯片出厂时已经固化了启动代码，它负责实现串口、USB以及CAN等ISP烧录功能。
选项字节
选项字节用于配置FLASH的读写保护、待机/停机复位、软件/硬件看门狗等功能，这部分共16字节。可以通过修改FLASH的选项控制寄存器修改。
41.2. 对内部FLASH的写入过程¶
41.2.1. 解锁¶
由于内部FLASH空间主要存储的是应用程序，是非常关键的数据，为了防止误操作修改了这些内容，芯片复位后默认会给控制寄存器FLASH_CR上锁，这个时候不允许设置FLASH的控制寄存器，从而不能修改FLASH中的内容。
所以对FLASH写入数据前，需要先给它解锁。解锁的操作步骤如下：
往FPEC键寄存器 FLASH_KEYR中写入 KEY1 = 0x45670123
再往FPEC键寄存器 FLASH_KEYR中写入 KEY2 = 0xCDEF89AB
41.2.2. 页擦除¶
在写入新的数据前，需要先擦除存储区域，STM32提供了页（扇区）擦除指令和整个FLASH擦除(批量擦除)的指令，批量擦除指令仅针对主存储区。
页擦除的过程如下：
检查 FLASH_SR 寄存器中的“忙碌寄存器位 BSY”，以确认当前未执行任何 Flash 操作；
在 FLASH_CR 寄存器中，将“激活页擦除寄存器位PER ”置 1，
用FLASH_AR寄存器选择要擦除的页；
将 FLASH_CR 寄存器中的“开始擦除寄存器位 STRT ”置 1，开始擦除；
等待 BSY 位被清零时，表示擦除完成。
41.2.3. 写入数据¶
擦除完毕后即可写入数据，写入数据的过程并不是仅仅使用指针向地址赋值，赋值前还还需要配置一系列的寄存器，步骤如下：
检查 FLASH_SR 中的 BSY 位，以确认当前未执行任何其它的内部 Flash 操作；
将 FLASH_CR 寄存器中的 “激活编程寄存器位PG” 置 1；
向指定的FLASH存储器地址执行数据写入操作，每次只能以16位的方式写入；
等待 BSY 位被清零时，表示写入完成。
41.3. 查看工程的空间分布¶
由于内部FLASH本身存储有程序数据，若不是有意删除某段程序代码，一般不应修改程序空间的内容，所以在使用 内部FLASH存储其它数据前需要了解哪一些空间已经写入了程序代码，存储了程序代码的扇区都不应作任何修改。 通过查询应用程序编译时产生的“*.map”后缀文件，可以了解程序存储到了哪些区域，它在工程中的打开方式见 图44_2，也可以到工程目录中的“Listing”文件夹中找到，关于map文件的详细说明可参考前面的《MDK的编译过程及文件详解》章节。
图 44‑2 打开工程的.map文件
打开map文件后，查看文件最后部分的区域，可以看到一段以“Memory Map of the image”开头的记录(若找不到可用查找功能定位)，见 代码清单44_1。
=========================================================
Memory Map of the image //存储分布映像
Image Entry point : 0x08000131
/*程序ROM加载空间*/
Load Region LR_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x000017a8, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)
/*程序ROM执行空间*/
Execution Region ER_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x0000177c, Max: 0x00080000, ABSOLUTE)
/*地址分布列表*/
Base Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object
0x08000000 0x00000130 Data RO 3 RESET startup_stm32f10x_hd.o
0x08000130 0x00000000 Code RO 479 * .ARM.Collect$$$$00000000 mc_w.l(entry.o)
0x08000130 0x00000004 Code RO 742 .ARM.Collect$$$$00000001 mc_w.l(entry2.o)
0x08000134 0x00000004 Code RO 745 .ARM.Collect$$$$00000004 mc_w.l(entry5.o)
/*...此处省略大部分内容*/
0x080016e8 0x00000024 Code RO 772 .text mc_w.l(init.o)
0x0800170c 0x00000010 Code RO 483 i.__0printf$bare mc_w.l(printfb.o)
0x0800171c 0x0000000e Code RO 784 i.__scatterload_copy mc_w.l(handlers.o)
0x0800172a 0x00000002 Code RO 785 i.__scatterload_null mc_w.l(handlers.o)
0x0800172c 0x0000000e Code RO 786 i.__scatterload_zeroinit mc_w.l(handlers.o)
0x0800173a 0x00000022 Code RO 490 i._printf_core mc_w.l(printfb.o)
0x0800175c 0x00000020 Data RO 782 Region$$Table anon$$obj.o
这一段是某工程的ROM存储器分布映像，在STM32芯片中，ROM区域的内容就是指存储到内部FLASH的代码。
41.3.1. 程序ROM的加载与执行空间¶
上述说明中有两段分别以“Load Region LR_ROM1”及“Execution Region ER_IROM1”开头的内容，它们分别描述程序的加载及执行空间。在芯片刚上电运行时，会加载程序及数据，例如它会从程序的存储区域加载到程序的执行区域，还把一些已初始化的全局变量从ROM复制到RAM空间，以便程序运行时可以修改变量的内容。加载完成后，程序开始从执行区域开始执行。
在上面map文件的描述中，我们了解到加载及执行空间的基地址(Base)都是0x08000000，它正好是STM32内部FLASH的首地址，即STM32的程序存储空间就直接是执行空间；它们的大小(Size)分别为0x000017a8及0x0000177c，执行空间的ROM比较小的原因就是因为部分RW-data类型的变量被拷贝到RAM空间了；它们的最大空间(Max)均为0x00080000，即512K字节，它指的是内部FLASH的最大空间。
计算程序占用的空间时，需要使用加载区域的大小进行计算，本例子中应用程序使用的内部FLASH是从0x08000000至(0x08000000+0x000017a8)地址的空间区域。
41.3.2. ROM空间分布表¶
在加载及执行空间总体描述之后，紧接着一个ROM详细地址分布表，它列出了工程中的各个段(如函数、常量数据)所在的地址Base Addr及占用的空间Size，列表中的Type说明了该段的类型，CODE表示代码，DATA表示数据，而PAD表示段之间的填充区域，它是无效的内容，PAD区域往往是为了解决地址对齐的问题。
观察表中的最后一项，它的基地址是0x0800175c，大小为0x00000020，可知它占用的最高的地址空间为0x0800177c，跟执行区域的最高地址0x0000177c一样，但它们比加载区域说明中的最高地址0x80017a8要小，所以我们以加载区域的大小为准。对比表 44‑1的内部FLASH页地址分布表，可知仅使用页0至页2就可以完全存储本应用程序，所以从页3(地址0x08001800)后的存储空间都可以作其它用途，使用这些存储空间时不会篡改应用程序空间的数据。
41.4. 操作内部FLASH的库函数¶
为简化编程，STM32HAL库提供了一些库函数，它们封装了对内部FLASH写入数据操作寄存器的过程。
41.4.1. FLASH解锁、上锁函数¶
对内部FLASH解锁、上锁的函数见 代码清单44_2。
/** @defgroup FLASH_Keys FLASH Keys
* @{
*/
#define FLASH_KEY1 ((uint32_t)0x45670123U)
#define FLASH_KEY2 ((uint32_t)0xCDEF89ABU)
/**
* @brief Unlock the FLASH control register access
* @retval HAL Status
*/
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Unlock(void)
{
if ((FLASH->CR & FLASH_CR_LOCK) != RESET) {
/* Authorize the FLASH Registers access */
FLASH->KEYR = FLASH_KEY1;
FLASH->KEYR = FLASH_KEY2;
} else {
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}
/**
* @brief Locks the FLASH control register access
* @retval HAL Status
*/
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Lock(void)
{
/* Set the LOCK Bit to lock the FLASH Registers access */
FLASH->CR |= FLASH_CR_LOCK;
return HAL_OK;
}
解锁的时候，它对FLASH_KEYR寄存器写入两个解锁参数，上锁的时候，对FLASH_CR寄存器的FLASH_CR_LOCK位置1。
41.4.2. 设置操作位数及页擦除¶
解锁后擦除扇区时可调用FLASH_EraseSector完成，见 代码清单44_3。
/**
* @brief 擦除指定的页
* @param Page_Address: 要擦除的页地址.
* @retval FLASH Status:
可能的返回值: FLASH_BUSY, FLASH_ERROR_PG,
* FLASH_ERROR_WRP, FLASH_COMPLETE or FLASH_TIMEOUT.
*
*
* @retval HAL Status
*/
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASHEx_Erase(FLASH_EraseInitTypeDef *pEraseInit,
uint32_t *SectorError)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_ERROR;
uint32_t index = 0;
/* Process Locked */
__HAL_LOCK(&pFlash);
/* Check the parameters */
assert_param(IS_FLASH_TYPEERASE(pEraseInit->TypeErase));
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE);
if (status == HAL_OK) {
/*Initialization of SectorError variable*/
*SectorError = 0xFFFFFFFFU;
if (pEraseInit->TypeErase == FLASH_TYPEERASE_MASSERASE) {
/*Mass erase to be done*/
#if defined (FLASH_OPTCR_nDBANK)
FLASH_MassErase((uint8_t) pEraseInit->VoltageRange, pEraseInit->Banks);
#else
FLASH_MassErase((uint8_t) pEraseInit->VoltageRange);
#endif /* FLASH_OPTCR_nDBANK */
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE);
/* if the erase operation is completed, disable the MER Bit */
FLASH->CR &= (~FLASH_MER_BIT);
} else {
/* Check the parameters */
assert_param(IS_FLASH_NBSECTORS(pEraseInit->NbSectors +
pEraseInit->Sector));
/* Erase by sector by sector to be done*/
for (index = pEraseInit->Sector; index < (pEraseInit->NbSectors +
pEraseInit->Sector); index++) {
FLASH_Erase_Sector(index, (uint8_t) pEraseInit->VoltageRange);
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperation((uint32_t)FLASH_TIMEOUT_VALUE);
/*If the erase operation is completed, disable the SER Bit and SNB Bits*/
CLEAR_BIT(FLASH->CR, (FLASH_CR_SER | FLASH_CR_SNB));
if (status != HAL_OK) {
/* In case of error, stop erase procedure and return the faulty sector*/
*SectorError = index;
break;
}
}
}
}
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(&pFlash);
return status;
}
本函数包含两个输入参数，分别是擦除flash初始化结构体和返回擦除出错编码，FLASH_EraseInitTypeDef擦除flash初始化结构体主要包含擦除的方式，是扇区擦除还是批量擦除，选择不同电压时实质是选择不同的数据操作位数，并且确定擦除首地址即擦除的扇区个数。函数根据输入参数配置PSIZE位，然后擦除扇区，擦除扇区的时候需要等待一段时间，它使用FLASH_WaitForLastOperation等待，擦除完成的时候才会退出HAL_FLASHEx_Erase函数。
41.4.3. 写入数据¶
对内部FLASH写入数据不像对SDRAM操作那样直接指针操作就完成了，还要设置一系列的寄存器，利用FLASH_TYPEPROGRAM_DOUBLEWORD、FLASH_TYPEPROGRAM_WORD、FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD和FLASH_TYPEPROGRAM_BYTE函数
可按字、半字的单位单位写入数据，见 代码清单44_4。
HAL_StatusTypeDef HAL_FLASH_Program(uint32_t TypeProgram, uint32_t
Address, uint64_t Data)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_ERROR;
uint8_t index = 0;
uint8_t nbiterations = 0;
/* Process Locked */
__HAL_LOCK(&pFlash);
/* Check the parameters */
assert_param(IS_FLASH_TYPEPROGRAM(TypeProgram));
assert_param(IS_FLASH_PROGRAM_ADDRESS(Address));
#if defined(FLASH_BANK2_END)
if (Address <= FLASH_BANK1_END) {
#endif /* FLASH_BANK2_END */
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperation(FLASH_TIMEOUT_VALUE);
#if defined(FLASH_BANK2_END)
} else {
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperationBank2(FLASH_TIMEOUT_VALUE);
}
#endif /* FLASH_BANK2_END */
if (status == HAL_OK) {
if (TypeProgram == FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD) {
/* Program halfword (16-bit) at a specified address. */
nbiterations = 1U;
} else if (TypeProgram == FLASH_TYPEPROGRAM_WORD) {
/* Program word (32-bit = 2*16-bit) at a specified address.
*/
nbiterations = 2U;
} else {
/* Program double word (64-bit = 4*16-bit) at a specified address. */
nbiterations = 4U;
}
for (index = 0U; index < nbiterations; index++) {
FLASH_Program_HalfWord((Address + (2U*index)), (uint16_t)(
Data >> (16U*index)));
#if defined(FLASH_BANK2_END)
if (Address <= FLASH_BANK1_END) {
#endif /* FLASH_BANK2_END */
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperation(
FLASH_TIMEOUT_VALUE);
/* If the program operation is completed, disable the PG Bit */
CLEAR_BIT(FLASH->CR, FLASH_CR_PG);
#if defined(FLASH_BANK2_END)
} else {
/* Wait for last operation to be completed */
status = FLASH_WaitForLastOperationBank2(
FLASH_TIMEOUT_VALUE);
/* If the program operation is completed, disable the PG Bit */
CLEAR_BIT(FLASH->CR2, FLASH_CR2_PG);
}
#endif /* FLASH_BANK2_END */
/* In case of error, stop programation procedure */
if (status != HAL_OK) {
break;
}
}
}
/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(&pFlash);
return status;
}
看函数代码可了解到，形参依次设置了数据操作宽度，写入数据地址，写入的数据。在赋值操作后，调用了FLASH_WaitForLastOperation函数等待写操作完毕。
41.5. 实验：读写内部FLASH¶
在本小节中我们以实例讲解如何使用内部FLASH存储数据。
41.5.1. 硬件设计¶
本实验仅操作了STM32芯片内部的FLASH空间，无需额外的硬件。
41.5.2. 软件设计¶
本小节讲解的是“内部FLASH编程”实验，请打开配套的代码工程阅读理解。为了方便展示及移植，我们把操作内部FLASH相关的代码都编写到“bsp_internal_Flash.c”及“bsp_internal_Flash.h”文件中，这些文件是我们自己编写的，不属于HAL库的内容，可根据您的喜好命名文件。
41.5.2.1. 程序设计要点¶
对内部FLASH解锁；
找出空闲页，擦除目标页；
进行读写测试。
41.5.2.2. 代码分析¶
41.5.2.2.1. 硬件定义¶
读写内部FLASH不需要用到任何外部硬件，不过在编写测试时我们要先确定内部FLASH的页大小以及要往哪些地址写入数据， 在本工程中这些定义在bsp_internal_Flash.h头文件中，见 代码清单44_5。
//写入的起始地址与结束地址
#define WRITE_START_ADDR ((uint32_t)0x08008000)
#define WRITE_END_ADDR ((uint32_t)0x0800C000)
代码中首先根据芯片类型定义了宏FLASH_PAGE_SIZE，由于本工程使用的是STM32ZET6芯片，所以FLASH_PAGE_SIZE已经stm32f1xx_hal_flash_ex.c中被定义成0x800，即2048字节。
另外，WRITE_START_ADDR和WRITE_END_ADDR定义了后面本工程测试读写内部FLASH的起始地址与结束地址，这部分区域与map文件指示的程序本身占用的空间不重合，所以在后面修改这些地址的内容时，它不会把自身的程序修改掉。
41.5.2.2.2. 读写内部FLASH¶
一切准备就绪，可以开始对内部FLASH进行擦写，这个过程不需要初始化任何外设，只要按解锁、擦除及写入的流程走就可以了，见 代码清单44_6。
int InternalFlash_Test(void)
{
uint32_t Address = 0x00; //记录写入的地址
uint32_t DATA_32 = 0x3210ABCD; //记录写入的数据
uint32_t NbrOfPage = 0x00; //记录写入多少页
__IO uint32_t Data32 = 0;
uint32_t SECTORError = 0;
TestStatus MemoryProgramStatus = PASSED;//记录整个测试结果
static FLASH_EraseInitTypeDef EraseInitStruct;
/* 解锁 */
HAL_FLASH_Unlock();
/* 计算要擦除多少页 */
NbrOfPage = (WRITE_END_ADDR - WRITE_START_ADDR) / FLASH_PAGE_SIZE;
EraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
EraseInitStruct.NbPages = NbrOfPage;
EraseInitStruct.PageAddress = WRITE_START_ADDR;
if (HAL_FLASHEx_Erase(&EraseInitStruct, &SECTORError) != HAL_OK) {
/*擦除出错，返回，实际应用中可加入处理 */
return -1;
}
/* 向内部FLASH写入数据 */
Address = WRITE_START_ADDR;
while (Address < WRITE_END_ADDR) {
if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, Address, DATA_32)
== HAL_OK) {
Address = Address + 4;
} else {
/*写入出错，返回，实际应用中可加入处理
*/
return -1;
}
}
HAL_FLASH_Lock();
/* 检查写入的数据是否正确 */
Address = WRITE_START_ADDR;
while ((Address < WRITE_END_ADDR) && (MemoryProgramStatus !=
FAILED)) {
if ((*(__IO uint32_t*) Address) != DATA_32) {
MemoryProgramStatus = FAILED;
}
Address += 4;
}
return MemoryProgramStatus;
}
该函数的执行过程如下：
调用HAL_FLASH_Unlock解锁；
根据起始地址及结束地址计算要擦除多少页；
使用循环调用FLASH_ HAL_FLASHEx_Erase擦除页，每次擦除一页；
使用循环调用HAL_FLASH_Program函数向起始地址至结束地址的存储区域都写入变量 “Data” 存储的数值数值；
调用HAL_FLASH_Lock上锁；
使用指针读取写入的数据内容并校验。
41.5.2.2.3. main函数¶
最后我们来看看main函数的执行流程，见 代码清单44_7。
int main(void)
{
/* 配置系统时钟为72 MHz */
SystemClock_Config();
/*初始化USART 配置模式为 115200 8-N-1*/
DEBUG_USART_Config();
/*初始化LED*/
LED_GPIO_Config();
LED_BLUE;
printf("\r\n 欢迎使用野火 STM32 开发板。\r\n");
printf("正在进行读写内部FLASH实验，请耐心等待\r\n");
if (InternalFlash_Test()== PASSED) {
LED_GREEN;
printf("读写内部FLASH测试成功\r\n");
} else {
printf("读写内部FLASH测试失败\r\n");
LED_RED;
}
while (1) {
}
}
main函数中初始化了用于指示调试信息的LED及串口后，直接调用了InternalFlash_Test函数，进行读写测试并根据测试结果输出调试信息。
41.5.3. 下载验证¶
用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到擦写内部FLASH的调试信息。