微控制器的FSMC到底是咋回事？(上）

摘要：玩单片机的难免要和内存和屏幕打交道，那就不得不说一下FSMC，掌握了他基本你就知道单片机是如何与他们进行通讯的了。本文较长因此分了两篇文章来说明，如有不同意见请在评论区留言。

一、概述

STM32控制器芯片内部有一定大小的SRAM及FLASH作为内存和程序存储空间，但当程序较大，内存和程序空间不足时，就需要在 STM32芯片的外部扩展存储器了。

扩展内存时一般使用SRAM和SDRAM存储器，但STM32F407系列的芯片不支持扩展 SDRAM(STM32F429系列支持)，它仅支持使用FSMC外设扩展 SRAM，我们以SRAM为例讲解如何为STM32扩展内存。

给STM32芯片扩展内存与给PC扩展内存的原理是一样的，只是PC上一般以内存条的形式扩展，内存条实质是由多个内存颗粒(即SRAM芯片)组成的通用标准模块，而STM32直接与SRAM 芯片连接。

二、SRAM的简介

大家都知道，当电脑运行比较卡的时候，我们可以通过给电脑加装内存条来改善电脑的性能。那么号称微型计算机的单片机能不能像电脑一样加装内存条呢？装内存条倒是不行，但是我们可以给单片机外加和内存条效果一样的SRAM来提升单片机的性能。下面以STM32F407ZGT6单片机来讲解一下来扩展外部SRAM。

原理：给STM32芯片扩展内存与给PC扩展内存的原理是一样的，只是PC上一般以内存条的形式扩展，内存条实质是由多个内存颗粒(即SRAM芯片)组成的通用标准模块，而STM32直接与SRAM芯片连接。

SRAM，型号IS62WV51216，管脚图如下：

一种 SRAM 芯片的内部结构框图

IS62WV51216的管脚总的来说大致分为：电源线、地线、地址线、数据线、片选线、写使能端、读使能端和数据掩码信号线。

数据手册截图，原汁原味

什么是数据掩码信号呢UB#和LB#？

用UB#或LB#线控制数据宽度，例如，当要访问宽度为16位的数据时，使用行地址线指出地址，然后把UB#和LB#线都设置为低电平，那么 I/O0-I/O15线都有效，它们一起输出该地址的16位数据(或者接收16位数据到该地址)；当要访问宽度为 8位的数据时，使用行地址线指出地址，然后把UB#或LB#其中一个设置为低电平，I/O会对应输出该地址的高8位和低8位数据，因此它们被称为数据掩码信号。如果不太明白接着往下看。

因为IS62WV51216是有LB和UB引脚的，可以控制字节的有效性，所以编程操作的时候我们是可以进行任意字节位宽的数据操作的。如果换作其他不支持字节通道访问的芯片的话，那就需要对齐芯片的数据位宽进行数据操作了。在网上查资料时看到有人问“在操作不同的数据位宽时，FSMC_NBL1，FSMC_NBL0是受什么控制输出高低电平给UB，LB的？”，这个应该是属于硬件自动实现的，是FSMC的硬件机制。

从这个图中我们可以看出IS62WV51216有19根地址线和16根数据线，从这些数据中我们可以分析出IS62WV51216的存储大小为1M，那么这个1M是怎么分析出来的呢？我们得来说说IS62WV51216的存储原理。首先，我们来谈一谈一般的RAM的存储原理。

CPU编址以字节(8bit)为单位。存储器编址：以其位宽为单位，也就是说每个存储器地址下的数据位数为位宽。芯片有19根数据线，那么它的芯片的可寻址空间大小就是2^19=254288=512K，又因为它的数据位宽位16（16根数据线），所以这个芯片的容量位512KB*16bit=8192Kbit=1024KByte=1MByte。

2.1 RAM的存储原理

RAM是“Random Access Memory”的缩写，被译为随机存储器。所谓随机存取，指的是当存储器中的消息被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置无关。根据 RAM的存储机制，又分为动态随机存储器 DRAM(Dynamic RAM)以及静态随机存储器 SRAM(Static RAM)两种。不管是DRAM还是SRAM他们都是在RAM前面加了一个头而已。

2.2 静态随机存储器SRAM

静态随机存储器SRAM(Static RAM)顾名思义电路结构不需要定时刷新充电，就能保持状态(当然，如果断电了，数据还是会丢失的)，因为不需要定时刷心充电，所以SRAM的存储单元以锁存器来存储数据，这种存储器被称为“静态(Static)”RAM。

2.3 动态随机存储器DRAM

而动态随机存储器DRAM(Dynamic RAM)顾名思义电路结构是需要定时刷新充电，因为需要定时刷心充电所以DRAM的存储单元以电容的电荷来表示数据，这种存储器被称为“动态(Dynamic)”RAM。

SRAM的存储单元

DRAM的存储单元

从他们的存储单元的结构图我们就知道DRAM的结构比SRAM的结构简单的多，所以所以生产相同容量的存储器，DRAM 的成本要更低，且集成度更高。而DRAM中的电容结构则决定了它的存取速度不如SRAM。这种结论是不需要死记硬背的，看结构图就知道了。

但是我们可能还听说过SDRAM，我们把它叫做同步动态随机存储器SDRAM(Synchronous DRAM)，同步顾名思义就是利用时钟进行同步的通讯时序，它在时钟的上升沿表示有效数据。

2.4 SRAM的存储模型

SRAM 存储阵列模型

SRAM的存储模型我们可以用矩阵来说明：

SRAM内部包含的存储阵列，可以把它理解成一张表格，数据就填在这张表格上。和表格查找一样，指定一个行地址和列地址，就可以精确地找到目标单元格，这是SRAM芯片寻址的基本原理。这样的每个单元格被称为存储单元，而这样的表则被称为存储矩阵。地址译码器把N根地址线转换成2的N次方根信号线，每根信号线对应一行或一列存储单元，通过地址线找到具体的存储单元，实现寻址。如果存储阵列比较大，地址线会分成行和列地址，或者行、列分时复用同一地址总线，访问数据寻址时先用地址线传输行地址再传输列地址。

但是呢？你会发现，这个原理好像不太适用于IS62WV51216，为什么呢？

其实不然，因为我们使用的SRAM比较小(IS62WV51216容量是1MB)，IS62WV51216没有列地址线。它只有19根行地址线，那么，我们就可以这么来解释：IS62WV51216有16根数据线，也就是说它的数据宽度为16位，一个行地址也就对应16位，即一个行地址对应 2字节空间。

好，那现在来计算一下IS62WV51216有多少个行地址。2的19次方等于512K，在512K的基础之上在乘我们之前计算的2字节，不正好是1024K，也就是1M吗？1M后面的单位是B，即Byte，而不是Bit哦。这样的话你就会发现IS62WV51216这个名字中本身就包含了大量的信息：IS62WV51216共有512K个行地址，数据宽度为16位，再加以计算就可以得到它的存储大小为1M啦，有趣吧！另外，该芯片支持两种不同的高速访问时间，分别为45ns和55ns，该时间表示进行一次数据读写的最短时间要求，本文选择55ns的模式。

2.5 通信方式

异步通讯，无须时钟，无须刷新，与STM32F407单片机通过FSMC接口相连。

SRAM的读写流程

数据手册上的SRAM 的读时序

翻译过来的SRAM 的读时序

数据手册上的SRAM 的写时序

翻译过来的SRAM 的写时序

读写时序的流程很类似，下面我们统一解说：

(1) 主机使用地址信号线发出要访问的存储器目标地址；

(2) 控制片选信号 CS1#及 CS2#使能存储器芯片；

(3) 若是要进行读操作，则控制读使能信号OE#表示要读数据，若进行写操作则控制写使能信号 WE#表示要写数据；

(4) 使用掩码信号LB#与UB#指示要访问目标地址的高、低字节部分；

(5) 若是读取过程，存储器会通过数据线向主机输出目标数据，若是写入过程，主要使用数据线向存储器传输目标数据。

在读写时序中，有几个比较重要的时间参数，在使用 STM32 控制的时候需要参考。

IS62WV51216BLL-55ns型号SRAM的时间参数

三、FSMC简介

FSMC的本质就是内核想要访问存储器，但是内核不能生成硬件时序，FSMC外设就帮忙做了这个硬件时序这个事情。有了这个外设我们操作外部SRAM就不需要自己在那里写读写时序了，FSMC就帮我们解决了。怎么解决的？它有各种寄存器结构体啊，直接按照要求配置就可以了。

STM32F407或STM32F417系列芯片都带有FSMC接口，FSMC，即灵活的静态存储控制器，能够与同步或异步存储器和16位PC存储器卡连接，STM32F4的FSMC 接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和 PSRAM 等存储器。

**注意：FSMC不能驱动如SDRAM 这种动态的存储器，而在STM32F429系列的控制器中，它具有FMC外设，支持控制 SDRAM 存储器**。其他我们不用管，从上面我们可以总结的是，STM32雇佣FSMC这个管家来管理我们的IS62WV51216。来来来，我们来看看FSMC的庐山真面目：

FSMC 的框图如图所示：

FSMC时钟来源

FSMC—STM32F4XX参考手册

FSMC—STM32F4XX参考手册

蒙了吧！又是这么多信号线，不要怕，我们还是来总结归纳下。我们FSMC控制SRAM为例来说明：通过查看STM32F407xx参考手册。

外部存储器接口信号—STM32F4xx参考手册

上图打码的地方是PSRAM伪静态随机存储器的引脚，不需要理会，只需要看SRAM的部分即可。

你会发现居然和SRAM中的线居然高度统一（那是当然喏，我们就是讲的FSMC嘛！）

1、FSMC_NBL[1]、FSMC_NBL[0]分别对应于LBn、UBn，有什么用呢？提供数据掩码信号。貝体是怎么回事昵？还记得前面提到的行地址线吗？

一根行地址线对应16位的数据，我们可以把16位的数据分为高字节和低字节。当要访问宽度为16位的数据时，使用行地址线指出地址，然后把UBn(n表示低电平有效)和LBn线都设置为低电平(FSMC_NBL0和 FSMC_NBL为低电平)，那么I/O0-I/O15线(FSMC_D0到 FSMC_D15)都有效，它们一起输出该地址的16位数据(或者接收16位数据到该地址)；当要访问宽度为8位的数据时，使用行地址线指出地址，然后把UBn(FSMC_NBL0)设置为低电平，I/O0-I/O15(FSMC_D8到 FSMC_D15)会对应输出该地址的高8位，l/O0-I/O7的信号无效(或者把LBn(FSMC_NBL1)设置为低电平，I/O0-/O7(FSMC_D0到SMCD7)会对应输出该地址的低8位，I/O8-/I/O15的信号无效。这样是不是有部分信号没有用呢？好像被掩盖了。因此它们被称为数据掩码信号。

要注意的是FSMC_NBL[1]、FSMC_NBL[0]分别对应于LBn、UBn，这两个引脚的电平不是我们用程序控制的，如果用程序控制就太麻烦了，这两个引脚应该是FSMC的内部硬件机制完成的，不需要我们人为操作。

2、FSMC_NE[1：4]是个很有趣的东西，它决定了FSMC可以控制多个存储器。这里就要提及FSMC的地址映射啦！

FSMC存储区域—STM32F4XX参考手册

首先，有一点我们必须明白，对于32位的STM32单片机来说，它能够管理的地址大小为4GB，而STM32将4GB的地址空间中的0X60000到0X9FFFF共1GB的空间分给外部内存，所以这1GB的空间就成了我们的小天地，供我们自由玩耍。

STM32F407数据手册英文版—MemoryMap

野火407手册

STM32F417数据手册—中文版

然后强势的FSMC就接管了这1GB的空间，FSMC将图中的1GB大小的外部RAM存储区域分成了4个Bank区域，每个Bank对应于STM32内部寻址空间的不同地址范围。

那么为什么要分为不同的Bank区域呢？

因为不同的Bank可以来管理不同的外部存储设备，比如NOR_Flash及SRAM存储器只能使用Bank1的地址，NAND_Flash存储器只能使用Bank2和Bank3的地址等。

细心的你肯定还会发现，每个Bank中居然还有4x64MB这种文宇，这是什么意思呢？

FSMC存储区域—STM32F4XX参考手册

Bank内部的256MB空间又被分成4个小块，每块64M，各自有相应的控制引脚用于连接片选信号。FSMC_NE[4:1]信号线就分别对应图中的 FSMC bank1 NOR/PSRAM4到FSMC bank1 NOR/PSRAM1。当STM32访问0×6800000—0x6BFFF址空间时，会访问到Bank1的第3小块区域：FSMC bank1 NOR/PSRAM3，相应的FSMC_NE3信号线会输出控制信号(即片选信号)，如果这个时候FSMC_NE3处刚好接上IS62WV51216的CS端，那么IS62WV51216就可以任由我们摆布啦。因此，对于你使IS62WV51216来说，一定要注意你的CS端是接的FSMC的哪个FSMC_NE端，这决定你在程序访问哪个地址范围。

STM32F4 的 FSMC 存储块 1（Bank1）被分为 4 个区，每个区管理64M 字节空间，每个区都有独立的寄存器对所连接的存储器进行配置。Bank1 的 256M 字节空间由28根地址线(HADDR[27:0])寻址。

为什么是28根地址线？因为2^28=268435456B=262144KB=256MB，正好管理这Bank1的256M 字节空间。

当Bank1接的是16位宽度存储器的时候：HADDR[25:1]→FSMC_A[24:0]。当Bank1接的是8位宽度存储器的时候：HADDR[25:0]→ FSMC_A[25:0]。不论外部接8位/16位宽设备，FSMC_A0永远接在外部设备地址A[0]。

这里感觉很不好理解，简单地分析如下：

对于16位SRAM，FSMC地址线要向右移一位（非常重要）。

以0x6800 0000这个地址为例，它分解成二进制是0110 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，由于一个BANK是64M的地址空间，而2^25=64M，故0x6800 0000的位[25:0]是FSMC向外部SRAM传递的真实地址，对于0x6800 0000，FSMC向外部SRAM发的地址是位[25:0],即00 0000 0000 0000 0000 0000 0000，这很好理解。

同理，对于0x6800 0002，FSMC向外部SRAM发送的地址是00 00000000 0000 0000 0000 0010。若FSMC不自动右移一位，这个地址明显发错了，因为期望读取的SRAM地址为0x0000 0001中的数据。

为了解决这一问题，当在初始化FSMC时，若选择外部SRAM为16位，则FSMC在向外部SRAM发地址时，会自动右移一位，例如刚才的0x6800 0002，FSMC在向外部发SRAM地址时，00 0000 0000 0000 0000 0000 0010会自动右移一位，变成00 0000 00000000 0000 0000 0001，即0x0000 0001，该地址正好是期望的外部SRAM地址。接着，外部SRAM从地址为0x0000 0001中取出16位数据传送给FSMC，由FSMC将这个16位数据保存在以映射地址0x6800 0002起始的两个8位存储单元中。

地址映射如下：

这样的话，当16位数据宽度时，地址的问题解决了，还有一个问题，是往高字节写入还是低字节写入呢？

这也就是NBL0和NBL1的作用了，如果你要进行字节操作 ：如stm32发送地址0x0001读取一个字节。右移一位对应的是sram地址0x0000处的16位数据， FSMC会根据A0（最后一根地址线）来控制NBL0和NBL1。当A0 = 1时，读取高字节数据（仅NBL1有效）；A0 = 0时，读取低字节数据仅NBL0有效），当进行16位读写时，NBL0和NBL1都有效。

经过了上面的分析，再来重新观察数据的写入过程：

当地址为0x6800  0000，会访问到SRAM的第0个16位地址，而此时A0 = 0（低字节有效），实际会访问的是16位 0地址的低字节；当地址为0x6800  0001时，A0 = 1，访问16位 0地址的高字节。依次。

因此，想让地址线的最后一位产生0或1，应该在前一位做出改变（stm32会自动右移）：

我们的SRAM芯片使用的是Bank1 的第三个区，即使用FSMC_NE3来连接外部设备的时候，即对应了HADDR[27:26]=10（这是内部硬件配置，不需要我们管），我们要做的就是配置对应第3区的寄存器组，来适应外部设备即可。

STM32F4的FSMC各Bank配置寄存器如下表

STM32的FSMC存储块1支持的异步突发访问模式包括：模式1、模式A~D等多种时序模型，驱动SRAM时一般使用模式1或者模式A，这里我们使用模式A来驱动SRAM用，其他模式说明详见：STM32中文参考手册-FSMC章节。

FSMC外设支持输出多种不同的时序以便于控制不同的存储器，它具有 ABCD 四种模式，下面我们仅针对控制 SRAM 使用的模式 A进行讲解。

模式A读时序

模式A写时序

对于NOR FLASH/PSRAM(包括SRAM)控制器（存储块1），通过FSMC_BCRX、FSMC_BTRX和FSMCBWTRx寄存器设置（其中x=1～4，对应4个区）。由于我们硬件是把blank的第三个区给外部SRAM使用，所以对于SRAM芯片的片选引脚为FSMC_NE3。所以就要配置FSMC_BCR3、FSMC_BTR3和FSMCBWTR3这3个寄存器。正点原子F407板子的SRAM的片选引脚是FSMC_NE3，LCD显存芯片的片选引脚是FSMC_NE4。

原子的F407的SRAM是blank NE3 LCD是blank NE3

野火的F407的SRAM blank NE4

野火F407的LCD blank NE3

四、SRAM的FSMC寄存器配置

4.1 SRAM/NOR-Flash片选控制寄存器

EXTMOD：扩展模式使能位，控制是否允许读写不同的时序，需设置为1。

WREN：写使能位。我们需要向SRAM写数据，故该位必须设置为1。

MWID[1：0]：存储器数据总线宽度。00，表示8位数据模式；01表示16位数据模式；10和11保留。我们的SRAM是16位数据线，所以设置WMID[1：0]=01。

MTYP[1：0]：存储器类型。00表示SRAM、ROM；01表示PSRAM；10表示NOR FLASH；11保留。我们使用SRAM，所以需要设置MTYP[1：0]=00。

MBKEN：存储块使能位。需设置为1。

STM32F4XX中文参考手册

4.2 SRAM/NOR-Flash片选时序寄存器

ACCMOD[1：0]：访问模式。00：模式A；01：模式B；10：模式C；11：模式D。

DATAST[7：0]：数据保持时间，等于：DATAST个HCLK时钟周期，DATAST最大为255。对STM32F1，一个HCLK=13.8ns（1/72M），设置为15；对STM32F4，一个HCLK=6ns（1/168M），设置为60。

ADDSET[3：0]：地址建立时间。表示：ADDSET个HCLK周期，ADDSET最大为15。STM32F1的FSMC性能存在问题，即便设置为0，RD也有190ns的高电平，我们这里设置为1。而对STM32F4，则设置为15。

4.3 SRAM/NOR-Flash写入时序寄存器

ACCMOD[1：0]：访问模式。00：模式A；01：模式B；10：模式C；11：模式D。

DATASTI7：01：数据保持时间，等于：DATAST个HCLK时钟周期，DATAST最大为255。对ILI9341来说，其实就是WR低电平持续时间，为15ns，不过ILI9320等则需要50ns。考虑兼容性，对STM32F1，一个HCLK=13.8ns（1/72M），设置为3；对STM32F4，一个HCLK=6ns（1/168M），设置为9。

ADDSET[3：0]：地址建立时间。表示：ADDSET个HCLK周期，ADDSET最大为15。对lL19341来说，这里相当于WR高电平持续时间，为15ns。同样考虑兼容IL19320，对STM32F1，这里即便设置为1，WR也有100ns的高电平，我们这里设置为1。而对STM32F4，则设置为8。

在MDK的寄存器定义里面，并没有定义FSMC_BCRx、FSMC_BTRx、FSMC_BWTRx等这个单独的寄存器，而是将他们进行了一些组合。

FSMC_BCRx和FSMC_BTRx，组合成BTCR[8]寄存器组，他们的对应关系如下：

BTCR[0] 对应 FSMC_BCR1，BTCR[1] 对应 FSMC_BTR1BTCR[2] 对应 FSMC_BCR2，BTCR[3] 对应 FSMC_BTR2BTCR[4] 对应 FSMC_BCR3，BTCR[5] 对应 FSMC_BTR3BTCR[6] 对应 FSMC_BCR4，BTCR[7] 对应 FSMC_BTR4

FSMC_BWTRx则组合成BWTR[7]，他们的对应关系如下：

BWTR[0]对应 FSMC_BWTR1，BWTR[2]对应 FSMC_BWTR2，BWTR[4]对应 FSMC_BWTR3，BWTR[6]对应 FSMC_BWTR4，BWTR[1]、BWTR[3]和 BWTR[5]保留，没有用到。

本篇到此结束，下一篇将讲解FSMC的先关代码，并使用STM32CubeMX进行配置。

审核编辑：刘清