STM32芯片--FSMC外设扩展外部SRAM

(一)为什么要扩展外部SRAM

内存是芯片工作的重要基础，众所周知，内存更大的芯片，其运行能力和性能往往也会更高。
但是当程序较大，导致芯片内部的内存空间不足以保存该程序时，便可以选择通过外扩存储器，解决内存不足的问题。在实际应用中，可以选择SRAM或者SDRAM作为外部的扩展内存，但由于本次使用的芯片不支持SDRAM的扩展功能，所以选择SRAM作为扩展的对象。

(二)什么是SRAM

简介

SRAM的英文全称为Static Random Assess Memory，译为静态随记存储器。与内存的特性一样，SRAM也属于易失性存储器，当掉电之后，存储器中的内容便会丢失。

存储器型号

本次使用的SRAM的型号为：IS62WV51216
其中，IS表示该芯片的生产公司为ISSI，即芯成半导体有限公司；512表示该芯片的容量为512K word；16则表示数据传输时的数据最小长度为16-Bits。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。

容量

512*16Bits = 1MB

原理框图

该SRAM芯片的内部原理图如下：

引脚配置

引脚数量为48Pin，TSOP引脚封装方式的引脚图及其说明如下：

引脚	说明
A0-A18	地址输入引脚
I/O0-I/O15	数据输入、输出引脚
CS1#,CS2	片选引脚
OE#	输出使能引脚
WE#	写使能引脚
LB#	低8-Bits字节数据控制引脚
UB#	高8-Bits字节数据控制引脚
NC	未连接
VDD	电源引脚
GND	地接引脚

通讯方式

异步通讯，无须时钟，无须刷新

读写特性

直接通过地址，便可以访问存储器中的数据。

读取数据时序图

本次使用的SRAM芯片可以选择两种不同的时序进行数据的读取，本文使用下面的一种：

读取数据的时序要求

读取数据时的时序要求如下图所示：

写入数据时序图

本次使用的SRAM芯片可以选择四种不同的时序进行数据的读取，本文选择下面的一种方式：

写入数据的时序要求

对时序的要求如下：

(三)什么是FSMC外设

简介

FSMC的英文全称为Flexible Static Memory Controller，译为静态存储控制器。是STM32F1系列芯片中用于扩展外部存储器的一种外设。通过其名称便可以得知，FSMC外设仅能扩展无须刷新的存储器，比如SRAM、Nor Flash等，而不支持扩展如SDRAM之类需要动态刷新的存储器。

FSMC支持扩展的存储器

按照STM32F1系列的官方文档中的介绍，FSMC支持扩展的存储器包括SRAM、Nor Flash、Nand Flash以及PC卡。

FSMC支持的数据宽度

FSMC支持8-Bits或者16-Bits的数据宽度，但实际使用的数据宽度需要根据存储器的要求进行配置。而我们本次使用的存储器的数据宽度为16-Bits，所以也应该将FSMC的数据宽度配置为16-Bits。

FSMC的内部原理图

由上图可知，在利用FSMC扩展外部存储设备时，有一些引脚是不同类型的设备共用的，但有一些是独有的，所以应该按照本身使用的存储器类型进行配置。由于本次我们扩展的是外部SRAM，所以只需要使用到上图中的红色标记中的引脚即可。其余引脚功能不再赘述。

FSMC的时钟配置

由于SRAM是异步通讯的方式，所以并不需要使用时钟信号。但是，如果扩展的是同步通讯的外部存储器，那么便需要配置该时钟信号。由上图可知，FSMC外设是直接与AHB总线连接的，根据STM32F1系列的时钟树，得知FSMC外设的时钟与系统时钟是相同的，以72MHz为例。

FSMC的存储空间映射

我们回到SRAM的数据读写特性部分，为什么扩展SRAM的主机可以直接通过地址对SRAM中的数据进行读写呢？最根本的原因就是STM32F1系列芯片为FSMC外设预留了专门用于扩展外部存储器的内存空间，且该空间的容量高达1GB。
另外，为了满足扩展不同类型存储器的需求，STM又将这1GB的空间划分为4个BANK，具体的内存分配如下：

由上图可知，SRAM和Nor Flash使用的是内存地址位于0x6000 0000到0x6FFF FFFF之间的Bank1区域。同时，Bank1区域还被分为4个子Bank，分别如下：

并且，对每个子Bank的配置和片选都是相互独立的。片选引脚为FSMC_NE[4:1]。

FSMC的工作模式选择

在实际应用中，可以选择FSMC工作在6种不同的工作模式下。通过FSMC的扩展模式，可以选择不同的模式配置。当使能扩展模式后，可以选择模式A至模式D；如果禁用扩展模式，则可以选择模式1和模式2。不同工作模式下的时序要求是不同的，本文使用的是模式A。

模式A下的时序图

读取数据时序图

写入数据时序图

模式A下的相关配置

STM官方提供了FSMC工作在模式A下的配置要求，如下所示：
1、BCR寄存器配置

2、BTR寄存器配置

3、BTWR寄存器配置

FSMC与SRAM之间的引脚对应关系

为了实现FSMC扩展SRAM的需求，我们需要在设计PCB时，将两者之间的对应引脚进行正确的连接。它们之间的匹配关系如下表所示：

SRAM引脚	FSMC引脚	说明
CLK	CLK	时钟信号引脚
A[25:0]	A[25:0]	地址引脚
D[15:0]	D[15:0]	数据引脚
NE[x]		NE[x]
NOE	NOE	输出使能引脚
NWE	NWE	写使能引脚
NL(=NADV)	NL(=NADV)	地址有效输入(仅PSRAM使用)
NWAIT	NWAIT	PSRAM等待FSMC的输入信号引脚
NBL[1]	NBL[1]	高8-Bits字节有效引脚
NBL[0]	NBL[0]	低8-Bits字节有效引脚

(四)驱动代码编写

编程时需要使用的工具

1.ST官方提供的库帮助文档，使用起来特别方便，英文名称为《STM32F10x Standard Peripherals Firmware Library》；
2、SRAM的芯片手册，重点是该芯片的时序图以及时序图的要求，由于FSMC操作SRAM不依赖于命令，所以必须严格按照时序图的要求进行编程；
3、STMF1系列的参考手册，重点是寄存器的配置，以及内存分配。

开始进行编程

初始化GPIO

按照STM32参考手册中GPIO章节的描述，需要将FSMC与SRAM之间使用的所有GPIO配置为复用推挽输出。

初始化FSMC

在初始化SRAM时，主要是对FSMC_NORSRAMInitTypeDef和FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef两个结构体进行配置，便可以完成FSMC的初始化。并且，由于上述两个结构体中的信息并非全部都用于FSMC扩展外部SRAM，所以其他无关的信息可以均初始化为默认值即可。下面列出部分代码：

..........
//设置存储器类型：SRAM类型
FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType =FSMC_MemoryType_SRAM;
//设置存储器数据宽度：16位
FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_16b;
.........

使能FSMC功能

在使用FSMC外设时，一定要记住使能FSMC外设时钟，以及所选择的Bank区域。比较方便的是，上面两个过程均可以通过库函数实现。

开始进行数据读写

向SRAM指定地址写入数据

上面我们说过，通过直接操作地址，我们便可以实现与SRAM之间的数据交互。但是需要注意的是，访问的地址范围不能超过SRAM允许的地址范围。
比如，我们希望向地址为0x68000000的存储空间中写入数据，此处使用两种方法进行说明：
1、利用地址进行操作：

#define Bank1_SRAM3_START_ADDR    (0x68000000)
int main()
{
	int * writeData = (int *)Bank1_SRAM3_START_ADDR;
	*writeData = 0x12;//向SRAM的0x68000000地址处写入0x12
}

2、利用变量的方式：

#define Bank1_SRAM3_START_ADDR    (0x68000000)
int writeData __attribute__((at(Bank1_SRAM3_ADDR)));//必须定义为全局变量
int main()
{
	writeData = 0x34;//向SRAM的0x68000000地址处写入0x34
}

总结

在利用FSMC扩展外部SRAM时，最重要的便是需要严格按照时序要求进行编程。SRAM本身的工作原理是非常简单的。

参考文献

【1】《STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx,
STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM®-based 32-bit MCUsReference manual》
【2】《IS62WV51216 DataSheet》