43. 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》。

43.1. 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 STM32的内部框架图。

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。

43.1.1. 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 STM32大容量产品内部FLASH的构成 （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》）。

STM32大容量产品内部FLASH的构成

各个存储区域的说明如下：

主存储

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STM32RCT6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 STM32芯片的命名规则。

STM32芯片的命名规则

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。

43.2. 对内部FLASH的写入过程

43.2.1. 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：

(1) 往FPEC键寄存器 FLASH_KEYR中写入 KEY1 = 0x45670123

(2) 再往FPEC键寄存器 FLASH_KEYR中写入 KEY2 = 0xCDEF89AB

43.2.2. 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：

(1) 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；

(2) 在 FLASH_CR 寄存器中，将“激活页擦除寄存器位PER ”置 1，

(3) 用FLASH_AR寄存器选择要擦除的页；

(4) 将 FLASH_CR 寄存器中的“开始擦除寄存器位 STRT ”置 1，开始擦除；

(5) 等待 BSY 位被清零时，表示擦除完成。

43.2.3. 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：

(1) 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；

(2) 将 FLASH_CR 寄存器中的 “激活编程寄存器位PG” 置 1；

(3) 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；

(4) 等待 BSY 位被清零时，表示写入完成。

43.3. 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 打开工程的map文件 ， 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。

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:FLASH-1。

代码清单:FLASH-1 map文件中的存储映像分布说明
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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: 0x0000178c, Max: 0x00040000, ABSOLUTE)
/*程序ROM执行空间*/
Execution Region ER_IROM1 (Base: 0x08000000, Size: 0x00001760, Max: 0x00040000, 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$$$$00000000  mc_w.l(entry.o)
0x08000130   0x00000004   Code   RO          742    .ARM.Collect$$$$00000001  mc_w.l(entry2.o)
0x08000134   0x00000004   Code   RO          745    .ARM.Collect$$$$00000004  mc_w.l(entry5.o)
/*...此处省略大部分内容*/
0x080016cc   0x00000024   Code   RO          772    .text               mc_w.l(init.o)
0x080016f0   0x00000010   Code   RO          483    i.__0printf$bare    mc_w.l(printfb.o)
0x08001700   0x0000000e   Code   RO          784    i.__scatterload_copy  mc_w.l(handlers.o)
0x0800170e   0x00000002   Code   RO          785    i.__scatterload_null  mc_w.l(handlers.o)
0x08001710   0x0000000e   Code   RO          786    i.__scatterload_zeroinit  mc_w.l(handlers.o)
0x0800171e   0x00000022   Code   RO          490    i._printf_core      mc_w.l(printfb.o)
0x08001740   0x00000020   Data   RO          782    Region$$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。

43.3.1. 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0x0000178c及0x00001760， 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0x00040000，即256K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+0x0000178c)地址的空间区域。

43.3.2. 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BaseAddr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0x08001740，大小为0x00000020，可知它占用的最高的地址空间为0x08001760，跟执行区域的最高地址0x08001760一样， 但它们比加载区域说明中的最高地址0x0000178c要小，所以我们以加载区域的大小为准。 对比表 STM32大容量产品内部FLASH的构成 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。

43.4. 操作内部FLASH的库函数

为简化编程，STM32标准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。

43.4.1. FLASH解锁、上锁函数

对内部FLASH解锁、上锁的函数见 代码清单:FLASH-2。

代码清单:FLASH-2 FLASH解锁、上锁
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#define FLASH_KEY1               ((uint32_t)0x45670123)
#define FLASH_KEY2               ((uint32_t)0xCDEF89AB)
/**
* @brief  对FLASH控制寄存器解锁，使能访问
* @param  None
* @retval None
*/
void FLASH_Unlock(void)
{
    if ((FLASH->CR & FLASH_CR_LOCK) != RESET) {
        /* 写入确认验证码 */
        FLASH->KEYR = FLASH_KEY1;
        FLASH->KEYR = FLASH_KEY2;
    }
}

/**
* @brief  对FLASH控制寄存器上锁，禁止访问
* @param  None
* @retval None
*/
void FLASH_Lock(void)
{
    /* 设置FLASH寄存器的LOCK位 */
    FLASH->CR |= FLASH_CR_LOCK;
}

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。

43.4.2. 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:FLASH-3。

代码清单:FLASH-3 擦除扇区
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/**
* @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.
*/
FLASH_Status FLASH_ErasePage(uint32_t Page_Address)
{
    FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE;
    /* 检查参数 */
    assert_param(IS_FLASH_ADDRESS(Page_Address));
    /*...此处省略XL超大容量芯片的控制部分*/
    /* 等待上一次操作完成 */
    status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);

    if (status == FLASH_COMPLETE) {
        /* 若上次操作完成，则开始页擦除 */
        FLASH->CR|= CR_PER_Set;
        FLASH->AR = Page_Address;
        FLASH->CR|= CR_STRT_Set;

        /* 等待操作完成 */
        status = FLASH_WaitForLastOperation(EraseTimeout);

        /* 复位 PER 位 */
        FLASH->CR &= CR_PER_Reset;
    }

    /* 返回擦除结果 */
    return status;
}

本函数包含一个输入参数用于设置要擦除的页地址，即目标页的在内部FALSH的首地址，函数获取地址后，根据前面的流程检查状态位、 向控制寄存器FLASH_CR及地址寄存器FLASH_AR写入参数，配置开始擦除后，需要等待一段时间，函数中使用使用FLASH_WaitForLastOperation等待， 擦除完成的时候才会退出FLASH_EraseSector函数。

43.4.3. 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_ProgramWord和FLASH_ProgramHalfWord函数可按字、半字的单位单位写入数据， 见 代码清单:FLASH-4。

代码清单:FLASH-4 写入数据
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/**
* @brief  向指定的地址写入一个字的数据（32位）
* @param  Address: 要写入的地址
* @param  Data: 要写入的数据
* @retval FLASH Status:
        可能的返回值: FLASH_ERROR_PG,
*           FLASH_ERROR_WRP, FLASH_COMPLETE or FLASH_TIMEOUT.
*/
FLASH_Status FLASH_ProgramWord(uint32_t Address, uint32_t Data)
{
    FLASH_Status status = FLASH_COMPLETE;
    __IO uint32_t tmp = 0;

    /* 检查参数 */
    assert_param(IS_FLASH_ADDRESS(Address));
    /*...此处省略XL超大容量芯片的控制部分*/
    /* Wait for last operation to be completed */
    status = FLASH_WaitForLastOperation(ProgramTimeout);

    if (status == FLASH_COMPLETE) {
        /* 若上次操作完成，则开始页入低16位的数据（输入参数的第1部分） */
        FLASH->CR |= CR_PG_Set;

        *(__IO uint16_t*)Address = (uint16_t)Data;
        /* 等待上一次操作完成 */
        status = FLASH_WaitForLastOperation(ProgramTimeout);

        if (status == FLASH_COMPLETE) {
            /* 若上次操作完成，则开始页入高16位的数据（输入参数的第2部分） */
            tmp = Address + 2;

            *(__IO uint16_t*) tmp = Data >> 16;

            /* 等待操作完成 */
            status = FLASH_WaitForLastOperation(ProgramTimeout);

            /* 复位 PG 位  */
            FLASH->CR &= CR_PG_Reset;
        } else {
            /* 复位 PG 位 */
            FLASH->CR &= CR_PG_Reset;
        }
    }

    /* 返回写入结果 */
    return status;
}

从函数代码可了解到，它设置FLASH->CR 寄存器的PG位允许写入后，使用16位的指针往指定的地址写入数据，由于每次只能按16位写入， 所以这个按字写入的过程使用了两次指针赋值，分别写入指定数据的低16位和高16位，每次赋值操作后，调用FLASH_WaitForLastOperation函数等待写操作完毕。 标准库里还提供了FLASH_ProgramHalfWord函数用于每次写入半个字，即16位，该函数内部的执行过程类似。

43.5. 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。

43.5.1. 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。

43.5.2. 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， 不属于标准库的内容，可根据您的喜好命名文件 。

43.5.2.1. 程序设计要点

(1) 对内部FLASH解锁；

(2) 找出空闲页，擦除目标页；

(3) 进行读写测试。

43.5.2.2. 代码分析

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:FLASH-5。

代码清单:FLASH-5 各个扇区的基地址(bsp_internal_Flash.h文件)
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/* STM32大容量产品每页大小2KByte，中、小容量产品每页大小1KByte */
#if defined (STM32F10X_HD) || defined (STM32F10X_HD_VL) ||\
defined (STM32F10X_CL) || defined (STM32F10X_XL)
#define FLASH_PAGE_SIZE    ((uint16_t)0x800)//2048
#else
#define FLASH_PAGE_SIZE    ((uint16_t)0x400)//1024
#endif

//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STM32RCT6芯片，在工程的C/C++选项中包含了STM32F10X_HD的定义， 所以FLASH_PAGE_SIZE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。

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:FLASH-6。

代码清单:FLASH-6 对内部地FLASH进行读写测试(bsp_internal_Flash.c文件)
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/**
* @brief  InternalFlash_Test,对内部FLASH进行读写测试
* @param  None
* @retval None
*/
int InternalFlash_Test(void)
{
    uint32_t EraseCounter = 0x00;   //记录要擦除多少页
    uint32_t Address = 0x00;        //记录写入的地址
    uint32_t Data = 0x3210ABCD;     //记录写入的数据
    uint32_t NbrOfPage = 0x00;      //记录写入多少页

    FLASH_Status FLASHStatus = FLASH_COMPLETE; //记录每次擦除的结果
    TestStatus MemoryProgramStatus = PASSED;//记录整个测试结果


    /* 解锁 */
    FLASH_Unlock();

    /* 计算要擦除多少页 */
    NbrOfPage = (WRITE_END_ADDR - WRITE_START_ADDR) / FLASH_PAGE_SIZE;

    /* 清空所有标志位 */
    FLASH_ClearFlag(FLASH_FLAG_EOP | FLASH_FLAG_PGERR |
FLASH_FLAG_WRPRTERR);

    /* 按页擦除*/
    for (EraseCounter = 0; (EraseCounter < NbrOfPage) &&
(FLASHStatus == FLASH_COMPLETE); EraseCounter++) {
        FLASHStatus = FLASH_ErasePage(WRITE_START_ADDR +
(FLASH_PAGE_SIZE * EraseCounter));

    }

    /* 向内部FLASH写入数据 */
    Address = WRITE_START_ADDR;

while ((Address < WRITE_END_ADDR) && (FLASHStatus == FLASH_COMPLETE)) {
        FLASHStatus = FLASH_ProgramWord(Address, Data);
        Address = Address + 4;
    }

    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) {
            MemoryProgramStatus = FAILED;
        }
        Address += 4;
    }
    return MemoryProgramStatus;
}

该函数的执行过程如下：

(1) 调用FLASH_Unlock解锁；

(2) 根据起始地址及结束地址计算要擦除多少页；

(3) 调用FLASH_ClearFlag清除各种标志位；

(4) 使用循环调用FLASH_ErasePage擦除页，每次擦除一页；

(5) 使用循环调用FLASH_ProgramWord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；

(6) 调用FLASH_Lock上锁；

(7) 使用指针读取写入的数据内容并校验。

main函数

最后我们来看看main函数的执行流程，见 代码清单:FLASH-7。

代码清单:FLASH-7 main函数(main.c文件)
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int main(void)
{
    /*初始化USART，配置模式为 115200 8-N-1*/
    USART_Config();
    LED_GPIO_Config();

    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) {
            LED1_ON;
        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");
            LED2_ON;
    }


    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。

43.5.3. 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。