STM32的存储器和寄存器

01 存储器分类

在讲STM32的存储器前，我们首先了解下存储器类别，下面是常见的存储器介绍。

RAM

Random Access Memory，随机存取存储器。是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写（刷新时除外），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。

一旦断电所存储的数据将随之丢失。

SRAM

Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器。是RAM的一种，所谓的“静态”，是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。

集成度较DRAM低，SRAM一般应用于高速缓存（Level2 Cache）。

DRAM

Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器。是RAM的一种，所谓的“动态”，是指这种存储器存储的数据想要保持，就需要周期性地更新里面所储存的数据。

集成度较SRAM高，一般应用于内存条中。

ROM

Read-Only Memory，只读存储器。是一种存储固定信息的存储器，在正常工作状态下只能读取数据，不能即时修改或重新写入数据。

ROM的最大优点是具有不易失性。

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，带电可擦可编程只读存储器。是可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重写。

常用于存放硬件设置数据，如PC的BIOS。

OTP

One Time Programmable，一次性可编程存储器。数据写入后，将不可再次更改和清除。

常用于写入产品和安全信息。

FLASH

Flash是一种块擦写型存储器。Flash不像RAM一样需要电源支持才能保存，但又像RAM一样可重写。在某个级别的低电压下，Flash的内部信息可读不可写，类似于ROM，而在较高的电压下，其内部信息可以更改和删除，又类似于RAM。

1.在单片机应用中，一般用作存储程序代码。

2.注意上述这个“块”字，Flash的擦除操作是以block块为单位的，进行操作时需要留意字节和地址等对齐问题。

02 Cortex-M4的存储器映射

Cortex-M4的存储器会用到FLASH和SRAM，片外RAM可能还会涉及DRAM。Cortex-M4提供了4GB的可寻址空间，包括：

1. 代码空间；

2. 片内SRAM；

3. 片内外设；

4. 片外RAM；

5. 片外外设；

6. 系统级空间。

在系统级空间中保护NVIC、SysTick、MPU等。同时在片内SRAM和片内外设空间存在2MB的“位带区”，支持“位带”（bit-band）操作。

额外提一点，Cortex-M4内核支持小端（Little-Endian）模式和大端（Big-Endian）模式，但默认采用小端模式，即字的最低位（LSB）位于低地址字节。

建议总线、外设和数据的设计都统一采用小端模式，避免不必要的麻烦。

03 STM32的存储器映射

在讲存储器映射前，先来看下STM32的架构和存储器构成，以下以F407xx系列为例。

系统架构

讲具体映射之前，我们在系统架构中先了解一个概念。从图中可看到主控总线通过一个总线矩阵来连接被控总线。比如数据从SRAM 到DMA1外设，那么数据在交给总线矩阵后，总线矩阵就会仲裁给DMA1，然后通过DMA1所在的 AHB1 传递过去。

这里我们只要知道，存储器和外设的数据交互是通过总线的即可。

存储器构成

STM32F407xx系列的存储器有：

1. 片内SRAM；
2. 片内Flash；

SRAM

STM32F407xx系列拥有最多高达196KB的SRAM，包括4KB的备份SRAM（电池备份区）和192KB的系统SRAM。

系统SRAM可按字节、半字（16bit）或全字（32bit）访问。读写操作以CPU速度执行，且等待周期为0。系统SRAM共分为三个块：

1. 映射在地址0x2000 0000到0x2001 FFFF的112KB和16KB块，可供所有AHB主控总线访问；
2. 映射在地址0x1000 0000到0x1000 FFFF的64KB块，只能提供给CPU通过数据总线访问。

注意：0x1000 0000到0x1000 FFFF的64KB块只能由I-CODE总线访问，DMA是访问不了的。如果IDE默认设置了0x1000 0000 ~ 0x1000 FFFF的数据块为优先访问，这时如果要使用DMA，则需要将其更改为0x2000 0000 ~ 0x2001 FFFF的数据块。

Flash

STM32F407xx系列拥有最多高达1MB的Flash容量，支持的操作：

1. 128位宽数据读取;
2. 字节、半字、字和双字数据写入;
3. 扇区擦除和全部擦除。

Flash的结构：

1. 主存储器
   包括4个16KB扇区、1个64KB扇区和7个128KB扇区。
2. 系统存储器
   30KB大小，系统bootloader时从该存储器启动。
3. OTP存储器
   512字节的OTP，只能一次性编程（写0），用于存储用户数据。另外有16字节，用于锁定对应的OTP数据块。
4. 选项字节
   用于配置读写保护、BOR级别、软硬件看门狗以及器件处于待机或停止模式下的复位。

随意打开一个STM32F407IGxx的工程，我们可以看到配置里配置了：

1. FLASH起始地址0x8000 0000和大小0x100000(1MB)；
2. 系统SRAM起始地址0x2000 0000和大小0x20000(128KB)。

存储器映射

什么叫存储器映射呢？存储器本身并不具备地址信息，那么CPU要准确找到存储某个信息的存储单元，就必须为这些单元分配一个相互可区分的标识，这个标识就是常说的地址编码。

而STM32中集成多种存储器，同一类型的存储器当作一组block，为每一个block分配一个数值连续，存储单元数相等，以16进制表示的自然数集合作为存储器Block的地址编码。这种自然数集合与存储器Block的对应关系就是存储器映射。

将芯片理论上的地址分配给存储器，这就叫作存储器映射。

存储器重映射

通常MCU启动都是从0x0000 0000地址处开始，但是MCU为了支持不同的存储介质(FLASH、SRAM等），不同的存储介质被分配到了一个非0地址区域。如果想让MCU从不同存储介质处启动（运行程序），就要进行重映射。

单片机的启动也可以叫做“自举”（bootstrap）。

而通过单片机的自举，我们可以：

1. 进行系统bootloader(ISP)；
2. 让程序代码在RAM（执行速度快）中先进行调试，待调试完成后再写入Flash中。

自举模式和重映射

STM32F4xx系列中，可通过BOOT[1:0]引脚这种硬件机制来选择不同的自举模式。

也可以通过SYSCFG的存储器重映射寄存器（SYSCFG memory remap register）来配置存储器重映射。

例如自举模式选择主Flash作为自举空间，那么0x0800 0000 - 0x080F FFFF这段存储空间就被重映射到0x0000 0000地址开始的代码空间中。

STM32的存储器采用固定的存储器映射，代码区域起始地址为 0x0000 0000（通过 ICode/DCode 总线访问），而数据区域起始地址为 0x2000 0000（通过系统总线访问）。

04 STM32的寄存器映射

什么叫寄存器映射？

在存储器映射章节中，我们知道STM32F407xx大部分外设都在0x4000 0000 - 0xA000 0FFF地址中，这些地址以四个字节为一个单元，共32bit。每一个单元对应不同的功能，当我们控制这些单元时就可以驱动相应外设工作。我们可以通过找到每个单元的起始地址，然后通过指针的操作方式来访问这些单元。

但如果每次访问都是通过这种地址的方式，不仅不好记忆还容易出错，这时可以根据每个单元功能的差异，以功能为名给这个内存地址单元取一个别名，这个别名就是常说的寄存器。这个给已经分配好地址的、有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。

下表是STM32F407xx的寄存器映射。

下面举一个操作GPIOC数据输出寄存器的例子。

由总线地址映射表得知，GPIOC外设挂在AHB1总线。

实现的代码：

/** 外设基地址*/
define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)
/** AHB1的地址*/
define AHB1PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x00020000)
/** GPIOC的地址*/
define GPIOC_BASE            (AHB1PERIPH_BASE + 0x0800)

define GPIOC                ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

/** GPIOx 寄存器*/
typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;    /*!< Address offset: 0x00      */
  __IO uint32_t OTYPER;   /*!< Address offset: 0x04      */
  __IO uint32_t OSPEEDR;  /*!< Address offset: 0x08      */
  __IO uint32_t PUPDR;    /*!< Address offset: 0x0C      */
  __IO uint32_t IDR;      /*!< Address offset: 0x10      */
  __IO uint32_t ODR;      /*!< Address offset: 0x14      */
  __IO uint16_t BSRRL;    /*!< Address offset: 0x18      */
  __IO uint16_t BSRRH;    /*!< Address offset: 0x1A      */
  __IO uint32_t LCKR;     /*!< Address offset: 0x1C      */
  __IO uint32_t AFR[2];   /*!< Address offset: 0x20-0x24 */
} GPIO_TypeDef;

/** 操作GPIOC数据输出寄存器*/
GPIOC->ODR = 0x00000000;
3);">40
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注意Cortex-M4默认小端模式。

05 参考文献

1. 百度百科
2. [Cortex-M3权威指南]
3. [Cortex-M4权威指南]
4. STM32F407参考手册
5. STM32F407产品规格书
6. STM32F407存储区映射
7. STM32内存映射