21. Управление Flash-памятью
Flash-память – это безмолвное периферийное устройство, которое мы используем, не особо задумываясь о нем. Как только мы убедились, что во Flash-памяти достаточно места для хранения микропрограммы, мы загружаем бинарный образ с помощью отладчика или специального загрузочного инструмента. Затем мы полностью забываем о ней.
Однако внутренняя Flash-память, предоставляемая всеми микроконтроллерами STM32, работает так же, как и другие периферийные устройства. Она может быть запрограммирована непосредственно из микропрограммы путем конфигурации определенных регистров, и это позволяет нам обновлять встроенное ПО, используя тот же встроенный код, или сохранять соответствующие данные конфигурации без использования специальных внешних аппаратных средств (внешней EEPROM на шине I²C или Flash-памяти на шине SPI).
В данной главе показано, как программировать внутреннюю Flash-память STM32 с помощью специального модуля HAL_FLASH CubeHAL. Она описывает, как Flash-память обычно организована в типовом микроконтроллере STM32, вкратце иллюстрируя различия между каждым семейством и шаги, необходимые для программирования определенных областей этой памяти непосредственно из одного и того же микроконтроллера.
Наконец, описана роль ускорителя ART™ Accelerator, а также развитие этой запатентованной технологии ST в микроконтроллерах STM32F7.
21.1. Введение во Flash-память STM32
Вотличие от других встроенных архитектур1, все микроконтроллеры STM32 предоставляют выделенную Flash-память для хранения программного кода и постоянных данных.
Внастоящее время существует одиннадцать объемов памяти, от 16 КБ до 2 МБ. Последняя цифра в номере устройства по каталогу (P/N) используемого микроконтроллера STM32 определяет размер Flash-памяти, как показано в таблице 1. Например, микроконтроллер STM32F401RE имеет 512 КБ Flash-памяти.
Таблица 1: Размер Flash-памяти с учетом последней цифры в номере по каталогу STM32
Последняя цифра в P/N |
Размер Flash-памяти (КБ) |
|
|
4 |
16 |
6 |
32 |
8 |
64 |
B |
128 |
Z |
192 |
C |
256 |
D |
384 |
1 Это особенно верно для микропроцессоров Cortex-A или FPGA, где энергонезависимая память предоставляется внешними Flash-памятями, подключенными к ЦПУ через специальные линии шины.
Управление Flash-памятью |
552 |
Таблица 2: Организация Flash-памяти в устройствах F030x4, F030x6, F070x6 и F030x8
Память NAND-Flash предлагает более компактную физическую архитектуру, позволяющую хранить больше ячеек памяти в одной и той же кремниевой области. Память NAND доступна с большей плотностью хранения и с меньшими затратами на бит, чем NORFlash (помните, что в электронике, помимо затрат на исследования и разработки, стоимость изготовления ИС зависит от размера кристалла). Памяти NAND также в 10 раз превышают срок службы NOR-Flash. NAND больше подходит для хранения больших файлов, включая видео и аудио. USB-накопители, SD-карты и MMC-карты относятся к типу NAND.
NAND-Flash не предоставляет шину внешнего адреса с произвольным доступом, поэтому данные должны считываться по блокам, где каждый блок содержит от сотен до тысяч битов, что напоминает своего рода последовательный доступ к данным. Это делает технологию NAND-Flash непригодной для встроенных микроконтроллеров, поскольку большинству микропроцессоров и микроконтроллеров требуется произвольный доступ на уровне байтов.
О технологиях Flash-памяти важно знать, что операция записи на Flash-устройстве любого типа может выполняться только на пустом или стертом устройстве. Поэтому в большинстве случаев операции записи должна предшествовать операция стирания. Хотя операция стирания довольно проста в случае устройств NAND-Flash, в NOR-Flash
Управление Flash-памятью |
553 |
обязательно, чтобы все байты в целевом блоке записывались полностью нулями, прежде чем их можно будет стирать. И наоборот, память NOR-Flash предлагает полный адрес и шины данных для произвольного доступа к любой области памяти (адресуемой для каждого байта). Это делает их пригодными для хранения кода и постоянных данных, поскольку их редко требуется обновлять.
Долговечность памяти NOR составляет от 10000 до 100000 циклов стирания. Операции стирания и записи в памяти NOR-Flash медленнее по сравнению с NAND-Flash. Это означает, что NAND-Flash имеет более быстрое время стирания и записи. Кроме того, NAND имеет меньшие единицы стирания. Поэтому требуется меньше стираний, и это делает их более подходящими для хранения файловых систем. NOR-Flash может считывать данные немного быстрее, чем NAND.
Устройства NOR-Flash делятся на стираемые единицы, также называемые блоками, страницами или секторами. Это разделение необходимо для снижения цен и преодоления физических ограничений. Запись информации в конкретный блок может быть выполнена только в том случае, если этот блок пуст/стерт, как было сказано выше. В большинстве памятей NOR-Flash после цикла стирания отдельная ячейка содержит значение «1», а операция записи позволяет изменить ее значение на «0». Это означает, что ячейка памяти слова устанавливается в 0xFFFF FFFF после стирания. Однако существуют некоторые памяти NOR-Flash, в которых значение ячейки по умолчанию после стирания равно «0», и мы можем установить его в «1» с помощью операции записи.
Разделение Flash-памяти на несколько блоков дает нам косвенное преимущество: мы можем стереть, а затем перепрограммировать только небольшие части Flash-памяти. Это особенно полезно, когда мы используем Flash-память для хранения энергонезависимых параметров конфигурации без использования выделенной и внешней памяти EEPROM3.
Чтобы полностью избежать нежелательных записей в энергонезависимую память (Non Volatile Memory, NVM), Flash-память во всех микроконтроллерах STM32 защищена от записи, и для ее отключения существует специальная последовательность разблокировки: в области байтов конфигурации предусмотрены два специальных ключ-регистра, которые позволяют отключить защиту от записи Flash-памяти, поместив в них определенное значение. В некоторых микроконтроллерах STM32 защита от записи должна быть отдельно отключена для каждого сектора. В зависимости от семейства STM32 доступ к записи является 8-, 16-, 32или 64-разрядным.
Чтобы защитить интеллектуальную собственность, Flash-память может быть защищена от чтения при внешнем доступе через интерфейс отладки (очевидно, доступ к чтению все еще разрешен ядру Cortex-M и контроллерам DMA). Это позволяет избежать сохранения содержимого Flash-памяти другими злонамеренные пользователями для дизассемблирования или копирования его на контрафактных устройствах4. Мы проанализируем эту тему позже.
В зависимости от семейства STM32, Flash-память может выполнять несколько операций программирования/стирания параллельно, что позволяет записывать больше байтов
3Несколько микроконтроллеров STM32 из серии STM32L предоставляют выделенную и настоящую память EEPROM, как и в других недорогих 8-разрядных микроконтроллерах (например, в микроконтроллерах
ATMEL AVR).
4Однако имейте в виду, что существуют компании, способные обходить защиту от чтения с использованием передовых аппаратных технологий (обычно связанных с использованием лазеров, которые перезаписывают биты защиты от чтения внутри области байтов конфигурации – это не дешево, но возможно ;-))