代码收藏家技术教程 2024-06-04

深入理解STM32的FLASH、RAM和寻址空间

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

前言

提示：本文介绍stm32的FLASH，RAM，以及为什么说stm32有4G的寻址空间，我们先来看一下stm32的寻址空间，具体的储存空间结构；

STM32F103 的寻址空间

以STM32F103为例，它的内存映射如下：

0x0000 0000 – 0x1FFF FFFF：代码区域，包括主Flash存储器和系统存储器。

0x2000 0000 – 0x3FFF FFFF：SRAM区域。

0x4000 0000 – 0x5FFF FFFF：外设区域，包括各种外设寄存器。

0x6000 0000 – 0x9FFF FFFF：外部存储器区域。

0xA000 0000 – 0xDFFF FFFF：外设寄存器别名。

0xE000 0000 – 0xFFFF FFFF：系统控制空间，包括核心外设寄存器（如NVIC、SysTick等）。

STM32F407 的寻址空间

STM32F407的内存映射和STM32F103类似，但其Flash和SRAM容量较大：

0x0000 0000 – 0x1FFF FFFF：代码区域，包括主Flash存储器和系统存储器。

0x2000 0000 – 0x3FFF FFFF：SRAM区域。

0x4000 0000 – 0x5FFF FFFF：外设区域，包括各种外设寄存器。

0x6000 0000 – 0x9FFF FFFF：外部存储器区域。

0xA000 0000 – 0xDFFF FFFF：外设寄存器别名。

0xE000 0000 – 0xFFFF FFFF：系统控制空间，包括核心外设寄存器（如NVIC、SysTick等）。

内存映射示意图

STM32F103

+----------------------+-----------+
| Address Range        | Description|
+----------------------+-----------+
| 0x0000 0000 - 0x0800 0000 | Main Flash Memory |
| 0x1FFF F000 - 0x1FFF F7FF | System Memory (Bootloader) |
| 0x2000 0000 - 0x2000 5000 | SRAM |
| 0x4000 0000 - 0x5006 3FFF | Peripheral Registers |
| 0x6000 0000 - 0x9FFF FFFF | External Memory |
| 0xE000 0000 - 0xE00F FFFF | Core Peripheral Registers |
+----------------------+-----------+

STM32F407

+----------------------+-----------+
| Address Range        | Description|
+----------------------+-----------+
| 0x0000 0000 - 0x0800 0000 | Main Flash Memory |
| 0x1FFF 0000 - 0x1FFF 77FF | System Memory (Bootloader) |
| 0x2000 0000 - 0x2001 BFFF | SRAM1 |
| 0x2001 C000 - 0x2001 FFFF | SRAM2 |
| 0x4000 0000 - 0x5006 3FFF | Peripheral Registers |
| 0x6000 0000 - 0x9FFF FFFF | External Memory |
| 0xE000 0000 - 0xE00F FFFF | Core Peripheral Registers |
+----------------------+-----------+

内存类型

Flash Memory：用于存储程序代码和常量数据。STM32F103通常有64KB到128KB的Flash，而STM32F407通常有256KB到1MB的Flash。
SRAM：用于存储运行时数据，如变量和堆栈。STM32F103通常有20KB的SRAM，而STM32F407有192KB的SRAM1和64KB的SRAM2。
外设寄存器：用于控制和配置各种外设，如GPIO、USART、I2C等。
系统控制空间：包括核心外设，如SysTick计时器和NVIC（嵌套向量中断控制器）。

一、FLASH

它主要用于存储代码，FLASH 存储器的内容在掉电后不会丢失，STM32 芯片在运行的时候，也能对自身的内部 FLASH 进行读写，因此，若内部 FLASH 存储了应用程序后还有剩余的空间，我们可以把它像外部 SPI-FLASH 那样利用起来，存储一些程序运行时产生的需要掉电保存的数据。并且访问内部 FLASH 的速度要比外部的 SPI-FLASH 快得多。

类型：非易失性存储器

用途：主要用于存储程序代码和常量数据

特点：

非易失性：即使在断电后数据也不会丢失。

读写速度：读取速度较快，但写入速度较慢，并且写入次数有限（通常为1万到10万次）。

容量：容量较大，适合存储程序代码。

应用

在STM32微控制器上，编写的固件程序通常存储在FLASH中。启动时，微控制器从FLASH中读取程序并执行。

（1）主存储器
　　　　一般我们说 STM32 内部 FLASH 的时候，都是指这个主存储器区域，它是存储用户应用程序的空间，芯片型号说明中的 1M FLASH、 2M FLASH 都是指这个区域的大小。
　　　　主存储器分为两块，共 2MB，每块内分 12 个扇区，其中包含 4 个 16KB扇区、 1 个 64KB 扇区和 7 个 128KB 的扇区。如STM32F429IGT6 型号芯片，它的主存储区域大小为 1MB，所以它只包含有表中的扇区 0-扇区 11。
　　　　与其它 FLASH 一样，在写入数据前，要先按扇区擦除，而有的时候我们希望能以小规格操纵存储单元，所以 STM32 针对 1MB FLASH 的产品还提供了一种双块的存储格式，见下表：

通过配置 FLASH 选项控制寄存器 FLASH_OPTCR 的 DB1M 位，可以切换这两种格式，切换成双块模式后，扇区 8-11 的空间被转移到扇区 12-19 中，扇区细分了，总容量不变。
　　　　
　　　　注意如果您使用的是 STM32F40x 系列的芯片，它没有双块存储格式，也不存在扇区 12-23，仅 STM32F42x/43x 系列产品才支持扇区 12-23。
　　　　
　　（2）系统存储区
　　　　系统存储区是用户不能访问的区域，它在芯片出厂时已经固化了启动代码，它负责实现串口、 USB 以及 CAN 等 ISP 烧录功能。
　　　　
　　（3）OTP 区域
　　　　OTP(One Time Program)，指的是只能写入一次的存储区域，容量为 512 字节，写入后数据就无法再更改， OTP 常用于存储应用程序的加密密钥。
　　　　
　　（4）选项字节
　　　　选项字节用于配置 FLASH 的读写保护、电源管理中的 BOR 级别、软件/硬件看门狗等功能，这部分共 32 字节。可以通过修改 FLASH 的选项控制寄存器修改。

三、注意事项
32位的M3有4GB的寻址空间，STM32的存储器地址映射，地址范围为：0x0000_0000-0xFFFF_FFFF;其中代码区的地址是从0x0800_0000开始的，结束于0x0800_0000+芯片的Flash的大小；

所以就必须在MDK里设置Flash地址为0x0800 0000，
这样就还有一个问题，理论上，CM3中规定上电后CPU是从0地址开始执行，但是这里中断向量表却被烧写在0x0800 0000地址里，那启动时不就找不到中断向量表了？既然CM3定下的规矩是从0地址启动，SMT32当然不能破坏ARM定下的“规矩”，所以它做了一个启动映射的过程，就是和芯片上总能见到的BOOT0和BOOT1有关了，当选择从主Flash启动模式后，芯片一上电，Flash的0x0800 0000地址被映射到0地址处，不影响CM3内核的读取，所以这时的CM3既可以在0地址处访问中断向量表，也可以在0x0800 0000地址处访问中断向量表，而代码还是在0x0800 0000地址处存储的。这就是最难理解的地方，其实，这是基本上所有ARM芯片采用的启动映射方法。ARM7，ARM9没有内部Flash的通常都是这样做的。这个过程出自STM32 referenc manual手册，里面是有说明的。
值得注意的是，这个中断向量表是可以在程序中再次被映射的。控制它的就是CM3已经规定的NVIC寄存器SCB->VTOR。在STM32库中给出的启动代码里，startup_stm32f10x_hd.s文件里，第146行，是上电后读取中断向量表中的复位中断位置，并执行复位中断处理代码，代码如下：

; Reset handler
Reset_Handler PROC
EXPORT Reset_Handler [WEAK]
IMPORT __main
IMPORT SystemInit
LDR R0, =SystemInit
BLX R0
LDR R0, =__main
BX R0
ENDP

注意复位后第一个被执行的是SystemInit代码，这个代码在库目录下的system_stm32f10x.c文件里，它初始化了时钟，NVIC等一系列操作，这里摘要与中断向量有关的代码：

void SystemInit (void)

{

#ifdef VECT_TAB_SRAM
SCB->VTOR = SRAM_BASE | VECT_TAB_OFFSET; /* Vector Table Relocation in Internal SRAM. /
#else
SCB->VTOR = FLASH_BASE | VECT_TAB_OFFSET; / Vector Table Relocation in Internal FLASH. */
#endif
}

可以看出中断向量重映射是一个选择性编译，通常宏定义VECT_TAB_SRAM都没有被定义，所以这里执行结束后，SCB->VTOR就是FLASH_BASE了，值为0x0800 0000。以后CM3再取中断向量里，就会根据SCB->VTOR的设置，从这里取向量执行了。中断向量自此终于转正。

二、RAM

RAM（Random Access Memory) ：掉电之后就丢失数据，读写速度块
ROM (Read Only Memory) ：掉电之后仍然可以保持数据

类型：静态随机存储器，是一种RAM

用途：在STM32中，SRAM一般与RAM指的是同一种存储器，用于存储运行时的数据。

特点：

易失性：断电后数据会丢失。

读写速度：速度快。

结构：采用触发器存储单元，不需要定期刷新，功耗低。

应用

在STM32微控制器中，SRAM通常用作系统运行时的工作内存。

#include "stm32f1xx.h"

// 全局变量，存储在SRAM中
int global_var = 0;

// 常量数据，存储在FLASH中
const char flash_data[] = "Hello, FLASH!";

int main(void) {
    // 本地变量，存储在SRAM中
    int local_var = 0;
    
    // 使用全局变量
    global_var = 10;
    
    // 使用本地变量
    local_var = global_var + 1;
    
    // 使用FLASH中的数据
    printf("%s\n", flash_data);
    
    while (1) {
        // 主循环
    }
}

寻址空间

在STM32微控制器中，寻址空间（Address Space）指的是微控制器能够访问的内存地址范围。每个存储器单元（如RAM、ROM、寄存器等）都有一个唯一的地址，CPU通过这些地址来访问和操作存储器单元。STM32微控制器的寻址空间通常由其内存映射（Memory Map）定义。

寻址空间的基本概念

地址宽度：STM32微控制器使用32位地址总线，这意味着它能够访问的地址范围是4GB（2^32个地址）。
内存映射：STM32的内存映射定义了不同类型的存储器（如Flash、SRAM、外设寄存器等）在整个地址空间中的位置。

STM32F103 的寻址空间

以STM32F103为例，它的内存映射如下：

0x0000 0000 – 0x1FFF FFFF：代码区域，包括主Flash存储器和系统存储器。

0x2000 0000 – 0x3FFF FFFF：SRAM区域。

0x4000 0000 – 0x5FFF FFFF：外设区域，包括各种外设寄存器。

0x6000 0000 – 0x9FFF FFFF：外部存储器区域。

0xA000 0000 – 0xDFFF FFFF：外设寄存器别名。

0xE000 0000 – 0xFFFF FFFF：系统控制空间，包括核心外设寄存器（如NVIC、SysTick等）。

STM32F407 的寻址空间

STM32F407的内存映射和STM32F103类似，但其Flash和SRAM容量较大：

0x0000 0000 – 0x1FFF FFFF：代码区域，包括主Flash存储器和系统存储器。

0x2000 0000 – 0x3FFF FFFF：SRAM区域。

0x4000 0000 – 0x5FFF FFFF：外设区域，包括各种外设寄存器。

0x6000 0000 – 0x9FFF FFFF：外部存储器区域。

0xA000 0000 – 0xDFFF FFFF：外设寄存器别名。

0xE000 0000 – 0xFFFF FFFF：系统控制空间，包括核心外设寄存器（如NVIC、SysTick等）。

内存映射示意图

STM32F103

+----------------------+-----------+
| Address Range        | Description|
+----------------------+-----------+
| 0x0000 0000 - 0x0800 0000 | Main Flash Memory |
| 0x1FFF F000 - 0x1FFF F7FF | System Memory (Bootloader) |
| 0x2000 0000 - 0x2000 5000 | SRAM |
| 0x4000 0000 - 0x5006 3FFF | Peripheral Registers |
| 0x6000 0000 - 0x9FFF FFFF | External Memory |
| 0xE000 0000 - 0xE00F FFFF | Core Peripheral Registers |
+----------------------+-----------+

STM32F407

+----------------------+-----------+
| Address Range        | Description|
+----------------------+-----------+
| 0x0000 0000 - 0x0800 0000 | Main Flash Memory |
| 0x1FFF 0000 - 0x1FFF 77FF | System Memory (Bootloader) |
| 0x2000 0000 - 0x2001 BFFF | SRAM1 |
| 0x2001 C000 - 0x2001 FFFF | SRAM2 |
| 0x4000 0000 - 0x5006 3FFF | Peripheral Registers |
| 0x6000 0000 - 0x9FFF FFFF | External Memory |
| 0xE000 0000 - 0xE00F FFFF | Core Peripheral Registers |
+----------------------+-----------+

内存类型

Flash Memory：用于存储程序代码和常量数据。STM32F103通常有64KB到128KB的Flash，而STM32F407通常有256KB到1MB的Flash。
SRAM：用于存储运行时数据，如变量和堆栈。STM32F103通常有20KB的SRAM，而STM32F407有192KB的SRAM1和64KB的SRAM2。
外设寄存器：用于控制和配置各种外设，如GPIO、USART、I2C等。
系统控制空间：包括核心外设，如SysTick计时器和NVIC（嵌套向量中断控制器）。

STM32F4系列微控制器的寻址空间被认为是4GB的原因主要在于其32位的地址总线。以下是详细的解释：