单片机存储器中提高层次的操作

摘要：在单片机开发板上或者是核心板上通常会看到除了MCU之外的的芯片—EEPROM和FLASH，一般是AT24CXX、W25QXX这两颗芯片。但在利用单片机做一些项目的时候，比如做一个小车，驱动一些外设、显示一些温湿度信息等，却发现一般没有用到这些芯片。

在做一些显示的时候却会用到。他们与单片机之间的通信方式就是IIC和SPI通信，在单片机的开发中用到的非常多。很多小伙伴就会说了，用OLED来显示一些数据，IIC通信直接用别人的代码，驱动SD卡或者NRF24L01直接拿别人的SPI代码就可以啊，难道我还自己去写驱动吗？当然需要，学会了这些操作，层次就会提高很多，不信那就接着往下看！

EEPROM AT24C02存储器学单片机的时候大家可能有一个问题，为啥是IIC读写EEPROM，而不是读写其他的东西。为什么大部分的单片机开发教程都教我利用IIC通信来读写EEPROM这颗AT24C02芯片？4针0.96寸OLED也是IIC操作的，为啥他们不叫我如何利用IIC通信来操作OLED？原因很简单，主要是读写EEPROM你学完了没有成就感，会读写EEPROM又怎么样？归根到底是没有掌握IIC体会到IIC通信的重要性。

今年疫情很严重，有一款红外测温芯片mlx90641就是通过IIC来读取温度的。我想如果教程是IIC读写红外测温芯片，大家可能会比较感兴趣。言归正传，来说一说EEPROM。ROM是“Read Only Memory”的缩写，意为只能读的存储器。由于技术的发展，后来设计出了可以方便写入数据的 ROM，而这个“Read Only Memory”的名称被沿用下来了。EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）是电可擦除存储器。EEPROM 可以重复擦写，EEPROM 是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。它的擦除和写入都是直接使用电路控制，不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据，无需整个芯片擦除。现在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节，在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。

操作任何的IIC设备一般都要知道从机地址，也就是利用单片机操作读写的那个设备的地址。一般来说对于IIC设备地址是7位，其中高 4 位固定为：1010 b，低 3 位则由 A0/A1/A2信号线的电平决定。所以一个IIC总线上可以挂载2^3=8个EEPROM芯片，当然一般一个单片机只有一块EEPROM芯片，所以我们直接把这个A2A1A0接地即可，当然接VCC也没有问题，如果接GND那么地址就是1010000（0X50），如果接VCC那么地址就是1010111（0X57）。

因为24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。也就是说有256个存储单元，一个字节就是一个存储单元，因为每个字节可以出存256个数，也就是说每个存储单元可以存0~255个数。我们可以这样理解，AT24C02是一栋教学楼，这个教学楼有256个房间（存储单元），没每个房间可以容纳256个学生（每个存储单元可以存储0 ~ 255个数）。

而且这个芯片在断电的时候数据不会丢失，利用掉电不会丢失以及这款芯片容量不大的特性，可以大致判断它会在哪些地方可以用到。比如我们看电视得时候，正在看CCTV6电影频道，播放的声音比较大，那么这时候正好停电了。那么你下次来电时你打开电视机，电视机默认肯定是CCTV6电影频道，播放的声音也是很大。那么这些“频道”、“音量”这些数据就存在EEPROM里面，至于是不是ATC02就不一定了。

总结：

存储量少，用起来方便

可以任意访问地址数据，每一个存储单片可以独立访问，

写入前是不需要对写入的单片做独立的擦除

这三个特点对我们理解存储器的特性非常重要，因为接下来要说的FLASH芯片的特性就与它完全相反。

FLASH W25Q128存储器

FLSAH字面意思就是闪现、一瞬间的意思，所以FLSAH存储器又称闪存，与 EEPROM都是掉电后数据不丢失的存储器，但FLASH存储器容量普遍大于 EPROM，现在基本取代了它的地位。生活中常用的 U 盘、SD卡、SSD 固态硬盘以及我们 STM32 芯片内部用于存储程序的设备，都是 FLASH 类型的存储器。在存储控制上，最主要的区别是 FLASH 芯片只能一大片一大片地擦写，而 EEPROM可以单个字节擦写。

FLASH 芯片的最小擦除单位为扇区（Sector），而一个块（Block）包含 16 个扇区，4Kbytes为一个Sector，16个扇区为1个Block。W25Q64 容量为8M字节（即 64M bit）， 分为128块（Block），每一块的大小为64K字节，每块又分为16个扇区（Sector），那么每个扇区就是4K个字节。W25Q128 容量为16M字节（即 128M bit），分为256块（Block），每一块的大小为64K字节，每块又分为16个扇区（Sector），那么每个扇区就是4K个字节（4096个字节，也就是4096个存储单元）。

W25Qxx的最小擦除单位为一个扇区，也就是每一次必须擦除4K字节。所以必须给W25Qxx开辟至少4K的缓冲区，这样对单片机的RAM的要求比较高，要求芯片必须有4K以上的RAM才能很好的操作。所有的FLASH我们在写之前都要擦出对应的扇区，擦除后的数据是0XFF。我们可以这样理解。我们要改写FLASH芯片W25Q128的一个扇区中某一个数据，就必须在STM32芯片的内部RAM中开辟4K字节（4096字节）的缓冲区域。先把FLASH芯片W25Q128的一个扇区中数据全部读到STM32芯片的内部RAM中开辟4K字节（4096字节）的缓冲区域中去，把我们要改写的数据在缓冲区域改写好之后，再把FLASH芯片W25Q128的一个扇区中的数据全部擦除完毕，擦除完成之后再把数据写回去。这是写入数据的操作，在读数据的时候不需要以扇区为单位，想读哪个扇区就读哪个扇区的数据。

/************************************************************************* * Function Name ： SPI_Flash_Write * Description ： 在指定地址开始写入指定长度的数据，该函数带擦除操作！ * Input ： *pBuffer：要写入数据的指针 WriteAddr：开始写入的地址（24bit） NumByteToWrite：要写入的字节数（最大16 x 1024 x 1024） * Output ： None * Return ： None

****************************************************************************/ void SPI_Flash_Write（u8* pBuffer， u32 WriteAddr， u16 NumByteToWrite） { u8 NumOfPage = 0， NumOfSingle = 0， Addr = 0， count = 0， temp = 0; Addr = WriteAddr % 4096;//mod运算求余，若writeAddr是4096整数倍，运算结果Addr值为0 NumOfPage = NumByteToWrite / 4096;//计算出要写多少整数扇区 NumOfSingle = NumByteToWrite % 4096;//mod

运算求余，计算出剩余不满一扇区的字节数 count = 4096 - Addr;//差count个数据值，刚好可以对齐到扇区地址 if （Addr == 0）//Addr=0，则WriteAddr刚好按扇区对齐或者说小于一个扇区 { //NumByteToWrite 《 4096，写入的字符串大小长度小于一个扇区（4096个字节）的大小，如22 if （NumOfPage == 0） { SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， NumByteToWrite）; } else //NumByteToWrite 》 4096，写入的字符串大小长度大与一个扇区（4096个字节）的大小，如4098 { //先把整数扇区都写了 while （NumOfPage--） { SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， 4096）; WriteAddr += 4096; pBuffer += 4096; } //若有多余的不满一扇区的数据，把它写完

SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， NumOfSingle）; } } //若地址与 4096 不对齐 else //Addr不等于0，则要写入的WriteAddr地址与4096不对齐 { //NumByteToWrite 《 4096 if （NumOfPage == 0）//大小不够一个扇区，如22 { //当前页剩余的count个位置比NumOfSingle小，一扇区写不完 if （NumOfSingle 》 count） { temp = NumOfSingle - count; //先写满当前扇区 SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， count）; WriteAddr += count; pBuffer += count; //再写剩余的数据 SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， temp）; } else //当前扇区剩余的count个位置能写完

NumOfSingle个数据 { SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， NumByteToWrite）; } } else //NumByteToWrite 》 4096 //大小够一个扇区，而且还超出一点点，如4098 { //地址不对齐多出的count分开处理，不加入这个运算 NumByteToWrite -= count; NumOfPage = NumByteToWrite / 4096; NumOfSingle = NumByteToWrite % 4096; //先写完count个数据，为的是让下一次要写的地址对齐 SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， count）; //接下来就重复地址对齐的情况

*/ WriteAddr += count; pBuffer += count; //把整数扇区都写了*/ while （NumOfPage--） { SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， 4096）; WriteAddr += 1096; pBuffer += 4096; } //若有多余的不满一扇区的数据，把它写完 if （NumOfSingle ！= 0） { SPI_Flash_Write_Page（pBuffer， WriteAddr， NumOfSingle）; } } } }

总结：

/********************************************************************** * Function Name ： SPI_Flash_Read * Description ： 在指定地址开始读取指定长度的数据 * Input ： *pBuffer：存储读出数据的指针 ReadAddr：开始读取的地址（24bit） NumByteToRead：要读取的字节数（最大 16 x 1024 x 1024） * Output ： None * Return ： None ************************************************************************/ void SPI_Flash_Read（u8* pBuffer，u32 ReadAddr，u16 NumByteToRead） { u16 i; SPI_FLASH_CS=0; //使能器件

SPI1_ReadWriteByte（CMD_W25X_ReadData）; //发送读取命令 SPI1_ReadWriteByte（（ReadAddr& 0xFF0000）》》16）; //发送扇区地址的高8bit SPI1_ReadWriteByte（（ReadAddr& 0xFF00）》》8）; //发送扇区地址的中间8bit SPI1_ReadWriteByte（ ReadAddr& 0xFF）; //发送扇区地址的低8bit for（i=0;i《NumByteToRead;i++） { pBuffer［i］=SPI1_ReadWriteByte（0XFF）; //循环读数 } SPI_FLASH_CS=1; //取消片选 } 总结：

存储量大

不能任意访问字节地址数据，每一个存储单片不可以独立访问，最小读取单元是一个扇区

写入前是必须对写入的扇区做独立的擦除操作。擦除的目的是使存储单元的数据全为1

SD卡大容量存储器SD 卡（Secure Digital Memory Card）在我们生活中已经非常普遍了，控制器对 SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是 SPI接口，另外一种是 SDIO 接口。SDIO全称是安全数字输入/输出接口，多媒体卡（MMC）、SD卡、SD I/O 卡（专指使用SDIO 接口的一些输入输出设备）都可使用 SDIO 接口通讯。STM32F10x 系列控制器有一个 SDIO 主机接口，它支持与上述使用 SDIO 接口的设备进行数据传输。

STM32F10x 系列控制器只支持 SD 卡规范版本 2.0，即只支持标准容量SD和高容量 SDHC 标准卡，不支持超大容量 SDXC 标准卡，所以可以支持的最高卡容量是 32GB。SD 卡一般都支持 SDIO 和 SPI 这两种接口。另外，STM32F42x 系列控制器的 SDIO 是不支持 SPI通信模式的，如果需要用到 SPI通信只能使用 SPI外设。因为SPI通信方式操作SD卡的数据线只有一根，而如果用SDIO的通信方式操作SD卡的数据线却又3根。为了节省资源一般在STM32F10x 系列控制器上用SPI的通信方式，而在引脚资源比较多的F4系列上就用SDIO的通信方式了。

SD容量有8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB （磁盘格式FAT12、FAT16）

SDHC容量有2GB、4GB、8GB、16GB、32GB（磁盘格式FAT32）

SDXC容量有32GB、48GB、64GB、128GB、256GB（磁盘格式exFAT）

3.1初始化1、初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）;

2、上电延时（》74 个 CLK）;

3、复位卡（CMD0），进入IDLE状态;

4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议;

5、根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58 和 CMD1 等）;

6、取消片选，发多 8个CLK，结束初始化

/******************************************************************************* * Function Name ： SD_Init * Description ： 初始化SD卡 * Input ： None * Output ： None * Return ： u8 * 0：NO_ERR * 1：TIME_OUT * 99：NO_CARD *******************************************************************************/ u8 SD_Init（void） { u8 r1; // 存放SD卡的返回值 u16 retry; // 用来进行超时计数 u8 buf［4］; u16 i; SD_SPI_Init（）; //初始化IO SD_SPI_SpeedLow（）; //设置到低速模式 //先产生至少74个脉冲，让SD卡自己初始化完成 for（i=0;i《10;i++） { SD_SPI_WriteByte（0XFF）;

////80clks } //-----------------SD卡复位到idle开始----------------- //循环连续发送CMD0，直到SD卡返回0x01，进入IDLE状态 //超时则直接退出 retry=0; do { r1=SD_SendCmd（CMD0，0，0x95）;//进入IDLE状态，作用是让SD卡进入SPI模式。这里的CRC校验位0x95是固定的，不能修改 retry++; }while（（r1！=0X01） && （retry《20））;//如果 SD 卡有正确的回应，代码就继续执行，如果没有回应程序就终止执行。 //跳出循环后，检查原因：初始化成功？or 重试超时？ if（retry==20） return 1; //超时返回1 SD_Type=0;

//默认无卡 //下面是V2.0卡的初始化 //其中需要读取OCR数据，判断是SD2.0还是SD2.0HC卡 if（r1==0X01） { if（SD_SendCmd（CMD8，0x1AA，0x87）==1）//SD V2.0 { //V2.0的卡，CMD8命令后会传回4字节的数据，要跳过再结束本命令 buf［0］=SD_SPI_ReadByte（）; //should be 0x00 buf［1］=SD_SPI_ReadByte（）; //should be 0x00 buf［2］=SD_SPI_ReadByte（）; //should be 0x01 buf［3］=SD_SPI_ReadByte（）; //should be 0xAA if（buf［2］==0X01&&buf［3］==0XAA）//判断卡是否支持2.7~3.6V的电压范围 { retry=0XFFFE; //发卡初始化指令CMD55+CMD41 do { SD_SendCmd（CMD55，0，0X01）; //发送CMD55 r1=SD_SendCmd（CMD41，0x40000000，0X01）;//发送CMD41 }while（r1&&retry--）; //初始化指令发送完成，接下来获取OCR信息

//-----------鉴别SD2.0卡版本开始----------- if（retry&&SD_SendCmd（CMD58，0，0X01）==0）//鉴别SD2.0卡版本开始 { //读OCR指令发出后，紧接着是4字节的OCR信息 buf［0］=SD_SPI_ReadByte（）; buf［1］=SD_SPI_ReadByte（）; buf［2］=SD_SPI_ReadByte（）; buf［3］=SD_SPI_ReadByte（）; //检查接收到的OCR中的bit30位（CCS），确定其为SD2.0还是SDHC //如果CCS=1：为SDV2.0HC的2.0高容量卡 CCS=0：为SDV2.0的2.0版本的标准卡 if（buf［0］&0x40） SD_Type=SD_TYPE_V2HC; //检查CCS else SD_Type=SD_TYPE_V2; LCD_ShowNum（164，250，SD_Type，5，16）;//显示SD卡容量 //-----------鉴别SD2.0卡版本结束----------- } } } //如果卡片版本信息是v1.0版本的，即r1=0x05，则进行以下初始化

else//SD V1.0/ MMC V3 { //先发CMD55，应返回0x01；否则出错 r1 = SD_SendCmd（CMD55，0，0X01）; //发送CMD55 if（r1 ！= 0x01） return r1; //得到正确响应后，发ACMD41，应得到返回值0x00 r1=SD_SendCmd（CMD41，0，0X01）; //发送CMD41 if（r1《=1） { SD_Type=SD_TYPE_V1; retry=0XFFFE; do //等待退出IDLE模式 { SD_SendCmd（CMD55，0，0X01）; //发送CMD55 r1=SD_SendCmd（CMD41，0，0X01）;//发送CMD41 }while（r1&&retry--）; }else//MMC卡不支持CMD55+CMD41识别 { SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3 retry=0XFFFE; do //等待退出IDLE模式 { r1=SD_SendCmd（CMD1，0，0X01）;//发送CMD1，发送MMC卡初始化命令

}while（r1&&retry--）; } if（retry==0||SD_SendCmd（CMD16，512，0X01）！=0） SD_Type=SD_TYPE_ERR;//错误的卡 } } SD_DisSelect（）;//取消片选 SD_SPI_SpeedHigh（）;//高速 if（SD_Type） return 0; else if（r1） return r1; return 0xaa;//其他错误 }

3.2写数据通过 CMD24实现1、发送CMD24;

2、接收卡响应R1;

3、发送写数据起始令牌 0XFE;

4、发送数据;

5、发送2字节的伪CRC;

6、禁止片选之后，发多8个CLK;

/******************************************************************************* * Function Name ： SD_WriteDisk * Description ： 向SD卡写数据 * Input ： buf：数据缓存区 * sector：扇区 * cnt：扇区数 * Output ： None * Return ： u8 * 0：ok * 其他，失败。 *******************************************************************************/ u8 SD_WriteDisk（u8*buf，u32 sector，u8 cnt） { u8 r1; if（SD_Type！=SD_TYPE_V2HC）sector *= 512;//转换为字节地址 if（cnt==1） { r1=SD_SendCmd（CMD24，sector，0X01）;//读命令 if（r1==0）//指令发送成功 { r1=SD_SendBlock（buf，0xFE）;//写512个字节 } }else { if（SD_Type！=SD_TYPE_MMC） { SD_SendCmd（CMD55，0，0X01）; SD_SendCmd（CMD23，cnt，0X01）;//发送指令 } r1=SD_SendCmd（CMD25，sector，0X01）;//连续读命令 if（r1==0） { do { r1=SD_SendBlock（buf，0xFC）;//接收512个字节 buf+=512; }while（--cnt && r1==0）; r1=SD_SendBlock（0，0xFD）;//接收512个字节 } } SD_DisSelect（）;//取消片选，释放SPI总线 return r1; }

3.3读取数据通过 CMD17实现1、发送CMD17;

2、接收卡响应R1;

3、接收数据起始令牌 0XFE;

4、接收数据;

5、接收2个字节的 CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。

6、禁止片选之后，发多8个CLK;

/*******************************************************************************

* Function Name ： SD_ReadDisk

* Description ： 读SD卡数据

* Input ： buf：数据缓存区

* sector：扇区

* cnt：扇区数

* Output ： None

* Return ： u8

* 0：ok

* 其他，失败。

*******************************************************************************/

u8 SD_ReadDisk（u8*buf，u32 sector，u8 cnt）

{

u8 r1;

if（SD_Type！=SD_TYPE_V2HC）sector 《《= 9;//转换为字节地址

if（cnt==1）

{

r1=SD_SendCmd（CMD17，sector，0X01）;//读命令

if（r1==0）//指令发送成功

{

r1=SD_RecvData（buf，512）;//接收512个字节

}

}else

{

r1=SD_SendCmd（CMD18，sector，0X01）;//连续读命令

do

{

r1=SD_RecvData（buf，512）;//接收512个字节

buf+=512;

}while（--cnt && r1==0）;

SD_SendCmd（CMD12，0，0X01）; //发送停止命令

}

SD_DisSelect（）;//取消片选

return r1;

}

原文标题：你必须知道的单片机存储器的那些事！

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责任编辑：haq