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為什么說內(nèi)部Flash驅(qū)動是個既冷門又不冷門的話題 | LPC Flash IAP

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發(fā)表于 2023-3-30 09:02:00 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
大家好,我是痞子衡,是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦經(jīng)典LPC系列MCU內(nèi)部Flash IAP驅(qū)動。% p( E6 ]9 d. [  C- b) z5 O1 _
LPC 系列 MCU 是恩智浦公司于 2003 年開始推出的非常具有代表性的產(chǎn)品,距今已經(jīng)有近 20 年的生命。按時間線演進來說,其主要分為三代:
. T$ U$ b+ d& `6 Z; a, M- 元老:基于 ARM7/9 內(nèi)核的 LPC2000/3000 系列7 s& }4 U; `: `. t; W7 T1 E
- 中堅:基于 Cortex-M0/0+/3/4 內(nèi)核的 LPC800/1100/1200/1300/1500/1700/1800/4000/4300/54000" ~% J( n! x6 ]8 T
- 新銳:基于 Cortex-M33 內(nèi)核的 LPC5500 系列。
0 v7 b( W3 {& G4 t5 p其中堅產(chǎn)品即是痞子衡今天要重點聊的經(jīng)典 MCU,從其第一顆 LPC1800 到至今仍有新型號出來的 LPC800,仍然深受廣大開發(fā)者喜愛。今天痞子衡想討論的是內(nèi)部 Flash 驅(qū)動這個對嵌入式軟件開發(fā)者來說既冷門又不冷門的話題:2 K$ o* b1 F$ D4 a1 A* e
  • Note:本文內(nèi)容主要以 LPC845 這個型號為例,未必完全適用其它經(jīng)典 LPC 型號,具體需要查看相應(yīng)手冊。一、關(guān)于MCU內(nèi)部Flash的基本概念痞子衡先解釋下為什么內(nèi)部 Flash 驅(qū)動這個話題既冷門又不冷門。說它冷門是因為大部分嵌入式軟件開發(fā)工程師寫的應(yīng)用代碼里很少包含 Flash 操作功能(除非應(yīng)用需要 OTA 升級或者斷電保存參數(shù)),因此對 Flash 模塊的關(guān)注度不如其它外設(shè)模塊。說它不冷門則是在 IDE 中調(diào)試或者編程器做量產(chǎn)又離不開 Flash 操作,所以避不可免地關(guān)注 Flash 擦寫算法、性能、壽命、效率等。- m4 V$ h* `: g8 b
    話說回來,F(xiàn)lash 外設(shè)一般由兩部分組成:Flash 控制器 + Flash Memory 介質(zhì),其 Memory 介質(zhì)部分從原理上屬于并行 NOR Flash,MCU 上電 Flash 外設(shè)總是使能的,可以通過 AHB 總線直接讀取其映射空間內(nèi)任意 Flash 地址處的數(shù)據(jù)/指令,所以其最主要的作用就是存儲可執(zhí)行代碼。; @; D2 s, q# ^
    如果應(yīng)用程序需要做 OTA 升級,則需要借助 Flash 控制器完成擦除和寫入操作。這里就有一些概念性的東西出現(xiàn)了,比如 Flash 擦除正常是按 Block/Sector 為單元(不排除有些支持按 Page 擦除),并且擦除操作是將 Block/Sector 里全部 bit 從 0 恢復(fù)為 1。而 Flash 寫入則是按 PUnit 為最小單元的(可能是 1/2/4/8 bytes),一次性最多寫入一個 Page 的數(shù)據(jù)(這里指一次完整命令執(zhí)行等待過程)。擦除和寫入操作都不是立刻就完成的,需要等待 Memory 介質(zhì)更新完成(讀 Flash 控制器相應(yīng)狀態(tài)位寄存器)。& f4 A; z/ w; c' O8 A& _
    LPC845 內(nèi)部 Flash 一共 64KB,劃分為 64 個 Sector,每個 Sector 大小為 1KB。每個 Sector 包含 16 個 Page,每個 Page 大小為 64Bytes。支持按 Sector/Page 擦除,IAP 僅支持按 Page 寫入(但是控制器底層最小寫入單元是 4bytes),不支持 RWW 特性。) m' R. F$ C$ E
        64KB          N/A            N/A           1KB          64Bytes       4Bytes! m5 b9 L) }& ?' ]5 C4 Z
    Flash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector > Flash Page >= Flash PUnit >= Flash Byte, n$ @: f- `* O0 t
                       |              |             |              |             |
      L, B' J0 t" P1 U                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元9 [( Q' s& N1 X+ o/ v2 B4 E1 |
    關(guān)于 Flash 擦寫操作,還有一個重要概念叫 Read-While-Write(簡稱 RWW),因為默認代碼是執(zhí)行在 Flash 里,如果我們這個時候還做 Flash 擦寫操作,就會讓同一個 Flash 處于又做擦寫處理同時也要響應(yīng) AHB 總線來的讀指令請求,大部分 Flash 是無法支持這個特性的,因此常見的操作是將觸發(fā) Flash 擦寫命令以及讀 Flash 狀態(tài)的代碼重定向到 RAM 里去執(zhí)行。而 LPC 上不一樣的 Flash IAP 驅(qū)動設(shè)計正是為了解決這個 RWW 限制的。
    ' x, O# r0 L' `: q3 z0 \  z6 `二、一般Flash驅(qū)動設(shè)計在講 LPC Flash IAP 特色驅(qū)動之前,我們先來看看一般 MCU 上 Flash 驅(qū)動設(shè)計,就以恩智浦 Kinetis MK60DN512Z 系列為例。它的 Flash 外設(shè)是 FTFL (詳見參考手冊里 Chapter 28 Flash Memory Module (FTFL) 章節(jié)),F(xiàn)lash 大小為 512KB,分為兩個 256KB Block (這里就相當于Bank),支持 RWW 特性(以 Block 為單元)。每個 Block 包含 128 個 Sector,每個 Sector 大小為 2KB。它其實沒有明確的 Page 概念(但是最大寫入單元是專用 4KB FLEXRAM 的一半,可以理解為 Page 大小就是 2KB),支持的最小寫入單元是 4bytes。& L* C" p2 V6 ~8 w# }" B! N
       512KB         256KB          256KB          2KB            2KB         4Bytes
    3 c( x& V& g3 }8 B" QFlash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector >= Flash Page > Flash PUnit >= Flash Byte  z# D) x; a& T2 q5 g; c  Q
                       |              |             |              |             |
    - o* d  G9 C* N! s' F/ C: P9 x                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元8 f# s; r  O$ [
    在官方驅(qū)動 \SDK_2_2_0_TWR-K60D100M\devices\MK60D10\drivers\fsl_flash.c 里我們重點關(guān)注如下 5 個基本函數(shù),這些函數(shù)都是直接操作 FTFL 外設(shè)寄存器來完成相應(yīng) Flash 擦寫功能的。其中 flash_command_sequence() 內(nèi)部函數(shù)設(shè)計是核心,每一個 API 基本都會調(diào)用它,這里面有一個關(guān)于解決 RWW 限制的黑科技設(shè)計,后面痞子衡會寫文章專門介紹。# ]+ {2 {. L% d1 [% Y
    // 一般初始化函數(shù),主要是軟件層面初始化8 ~# M) j" {) X6 x$ a
    status_t FLASH_Init(flash_config_t *config);* S, F5 b. e" U+ @$ h9 x$ ~% c
    // 為了解決 RWW 限制而特殊設(shè)計的命令觸發(fā)執(zhí)行函數(shù)7 }: E& u1 U: B9 q2 L
    status_t FLASH_PrepareExecuteInRamFunctions(flash_config_t *config);4 i3 ~% s/ |' x1 d4 r
    static status_t flash_command_sequence(flash_config_t *config)) l( z7 r3 H, \; x, U# I
    // 擦除函數(shù),長度不限(需要按 Sector 對齊),key 參數(shù)是為了降低誤擦除風險6 Z5 O; n- {7 y) }- b( V4 ^
    status_t FLASH_Erase(flash_config_t *config, uint32_t start, uint32_t lengthInBytes, uint32_t key);
      d! S2 R0 p) K6 J8 G* d// 寫入函數(shù),長度不限(僅最小寫入單元對齊限制),函數(shù)內(nèi)部自動結(jié)合 Page 和 PUnit 寫入命令做處理1 R' d+ v- g' b4 x: i9 a2 E
    status_t FLASH_Program(flash_config_t *config, uint32_t start, uint32_t *src, uint32_t lengthInBytes);, g' M" f6 R. J. J
    三、LPC Flash IAP驅(qū)動設(shè)計原理終于來到本文核心 - LPC Flash IAP 驅(qū)動了。按照我們一般經(jīng)驗,首先是翻看 LPC845 用戶手冊尋找 Flash 外設(shè),但是很遺憾,用戶手冊里并沒有 Flash 外設(shè)詳細介紹,取而代之的是 Chapter 5: LPC84x ISP and IAP 章節(jié)。因為 LPC 全系列都包含 BootROM(映射地址為 0x0F00_0000 - 0x0F00_3FFF),而 BootROM 代碼里包含了 Flash 擦寫驅(qū)動,因此官方直接推薦用戶調(diào)用 ROM 里的 Flash 驅(qū)動 API 來完成操作,而不是按照傳統(tǒng)方式提供直接操作 Flash 外設(shè)寄存器的 SDK 源碼。
    1 _- l: ?' O1 B  k( U) BBootROM 提供的 API 不止 Flash IAP 一個,可以在 Boot Process 章節(jié)里如下圖里找到全部 API。這里我們可以看到 Flash IAP 函數(shù)的統(tǒng)一入口地址是 0x0F001FF1,這在 SDK 里 LPC845_features.h 文件里有如下專門宏:
    * U) O: o( S8 p* }- ~4 r/* @brief Pointer to ROM IAP entry functions *// u) e* r2 I  H: i0 W
    #define FSL_FEATURE_SYSCON_IAP_ENTRY_LOCATION (0x0F001FF1)
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