代码收藏家技术教程 2025-02-22

STMicroelectronics 系列：STM32L4 系列_（12）.STM32L4系列的内存架构

STM32L4系列的内存架构

内存架构概述

STM32L4系列微控制器具有复杂的内存架构，旨在提供高性能、低功耗和高灵活性。该系列的内存架构包括多种类型的内存，如闪存（Flash Memory）、静态随机存取内存（SRAM）、外设总线（Peripheral Bus）等。合理的内存管理对于优化系统性能和降低功耗至关重要。

内存类型

闪存（Flash Memory）
用于存储程序代码和常量数据。
高密度存储，具有较长的使用寿命。
支持多种读取模式，如单周期读取和多周期读取，以适应不同的性能需求。
静态随机存取内存（SRAM）
用于存储变量和运行时数据。
高速访问，适用于频繁读写操作。
STM32L4系列通常配置有多个SRAM区域，以提供更大的存储空间和更高的灵活性。
外设总线（Peripheral Bus）
用于连接各种外设，如GPIO、UART、SPI等。
提供多种总线速度和访问模式，以适应不同外设的需求。

内存映射

STM32L4系列的内存映射是其内存架构的核心，定义了各种内存和外设在地址空间中的位置。内存映射如下：

闪存映射

地址范围：0x0000 0000 – 0x0007 FFFF

通常用于存储程序代码和初始化数据。

SRAM映射

地址范围：0x2000 0000 – 0x2001 FFFF

用于存储运行时数据和变量。

外设映射

地址范围：0x4000 0000 – 0x400F FFFF

用于连接各种外设。

内存控制器

STM32L4系列微控制器通过内存控制器来管理内存的读写操作。内存控制器支持多种功能，如内存保护、DMA传输、缓存管理等。

内存保护单元（MPU）

用于保护内存区域，防止非法访问。

可以配置多个区域，每个区域可以设置访问权限和缓存属性。

直接存储器访问（DMA）

用于在内存和外设之间进行高效的数据传输。

支持多个DMA通道，每个通道可以配置不同的传输参数。

缓存管理

STM32L4系列微控制器配备了缓存管理单元，用于优化内存访问性能。缓存管理包括指令缓存和数据缓存。

指令缓存（ICache）

存储最近访问的指令，减少指令读取时间。

可以通过软件控制启用或禁用。

数据缓存（DCache）

存储最近访问的数据，减少数据读取时间。

可以通过软件控制启用或禁用。

闪存管理

闪存读取模式

STM32L4系列支持多种闪存读取模式，以适应不同的性能需求。常见的读取模式包括：

单周期读取模式

在最高性能模式下，闪存可以以单周期的速度进行读取。

适用于需要高速执行代码的场景。

多周期读取模式

为了降低功耗，可以配置闪存为多周期读取模式。

适用于对功耗有严格要求的场景。

闪存编程

闪存编程是STM32L4系列微控制器中的一个重要操作，用于更新程序代码或常量数据。闪存编程通常需要以下几个步骤：

解锁闪存
在编程前，需要解锁闪存以允许写操作。
擦除闪存
闪存编程前需要先擦除目标区域。
编程闪存
将数据写入闪存。
锁定闪存
编程完成后，需要锁定闪存以防止意外写操作。

代码示例：闪存编程

以下是一个使用STM32L4系列HAL库进行闪存编程的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



// 定义要编程的数据

uint32_t dataToWrite = 0x12345678;

uint32_t addressToWrite = 0x0800 0000 + 0x100; // 从闪存起始地址0x0800 0000开始编程



void Flash_Write(uint32_t address, uint32_t data) {

    HAL_StatusTypeDef status;



    // 解锁闪存

    HAL_FLASH_Unlock();



    // 擦除闪存

    FLASH_EraseInitTypeDef eraseInitStruct;

    uint32_t pageError = 0;

    eraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;

    eraseInitStruct.PageAddress = address;

    eraseInitStruct.NbPages = 1; // 擦除一个页面

    status = HAL_FLASHEx_Erase(&eraseInitStruct, &pageError);

    if (status != HAL_OK) {

        // 错误处理

        while (1);

    }



    // 编程闪存

    status = HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, address, data);

    if (status != HAL_OK) {

        // 错误处理

        while (1);

    }



    // 锁定闪存

    HAL_FLASH_Lock();

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 写入闪存

    Flash_Write(addressToWrite, dataToWrite);



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

闪存保护

闪存保护是STM32L4系列中的一项重要功能，用于防止非法修改闪存中的数据。通过设置闪存保护寄存器，可以实现对特定区域的保护。闪存保护可以防止恶意攻击和意外的数据写入，确保系统的稳定性和安全性。

代码示例：闪存保护

以下是一个设置闪存保护的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void Flash_Protect(uint32_t address, uint32_t length) {

    HAL_StatusTypeDef status;



    // 解锁闪存

    HAL_FLASH_Unlock();



    // 设置闪存保护

    FLASH_Option_InitTypeDef optionInitStruct;

    optionInitStruct.OptionType = OPTIONBYTE_WRP;

    optionInitStruct.WRPState = FLASH_WRPSTATE_ENABLE;

    optionInitStruct.Banks = FLASH_BANK_1;

    optionInitStruct.WrapSector = FLASH_SECTOR_0;

    optionInitStruct.WrapLength = FLASH_SIZE_128K;

    status = HAL_FLASHEx_OptionByteProgram(&optionInitStruct);

    if (status != HAL_OK) {

        // 错误处理

        while (1);

    }



    // 锁定闪存

    HAL_FLASH_Lock();

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 保护闪存

    Flash_Protect(0x0800 0000, 0x1000);



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

SRAM管理

SRAM区域配置

STM32L4系列微控制器通常配置有多个SRAM区域，每个区域可以独立配置其访问属性和缓存属性。常见的SRAM区域包括：

SRAM1

地址范围：0x2000 0000 – 0x2000 7FFF

用于存储运行时数据和变量。

SRAM2

地址范围：0x2001 0000 – 0x2001 7FFF

用于存储低功耗模式下的数据。

SRAM访问优化

为了优化SRAM的访问性能，STM32L4系列提供了多种技术，如内存对齐、DMA传输等。内存对齐可以提高数据访问速度，而DMA传输可以减少CPU的负担，提高数据传输效率。

代码示例：SRAM访问优化

以下是一个使用DMA进行SRAM访问的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



// 定义源数据和目标数据缓冲区

uint32_t sourceData[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

uint32_t targetData[10];



// 配置DMA

void DMA_Config(void) {

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();



    // 创建DMA句柄

    DMA_HandleTypeDef hdma;



    // 初始化DMA

    hdma.Instance = DMA1_Channel1;

    hdma.Init.Request = DMA_REQUEST_0;

    hdma.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY;

    hdma.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

    hdma.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

    hdma.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;

    hdma.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;

    hdma.Init.Mode = DMA_NORMAL;

    hdma.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

    hdma.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

    HAL_DMA_Init(&hdma);



    // 配置DMA传输

    HAL_DMA_Start(&hdma, (uint32_t)sourceData, (uint32_t)targetData, 10);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置DMA

    DMA_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

SRAM低功耗管理

SRAM低功耗管理是STM32L4系列中的一个重要功能，用于在低功耗模式下保持SRAM中的数据。通过配置低功耗模式下的SRAM保留区域，可以在进入低功耗模式时保留关键数据，确保系统在唤醒时能够快速恢复。

代码示例：SRAM低功耗管理

以下是一个配置SRAM保留区域的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void LowPower_Config(void) {

    // 配置低功耗模式

    HAL_PWREx_EnableLowPowerRunMode();



    // 配置SRAM保留区域

    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();

    HAL_PWREx_Control_BOR(PWR_BOR_LEVEL_3);

    HAL_PWREx_EnableVddIO2();

    HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_LDO_SUPPLY);

    HAL_PWREx_EnableLowPowerStopMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI, PWR_SRAM1_RETAINED, 0);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置低功耗模式

    LowPower_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

外设总线管理

外设总线配置

STM32L4系列微控制器的外设总线配置非常灵活，可以适应不同的外设需求。常见的配置包括总线速度、优先级等。合理配置外设总线可以提高系统的响应速度和性能。

代码示例：外设总线配置

以下是一个配置外设总线的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void PeriphBus_Config(void) {

    // 配置GPIO

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitTypeDef gpioInitStruct;

    gpioInitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;

    gpioInitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

    gpioInitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

    gpioInitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpioInitStruct);



    // 配置UART

    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

    UART_HandleTypeDef huart1;

    huart1.Instance = USART1;

    huart1.Init.BaudRate = 9600;

    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;

    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

    HAL_UART_Init(&huart1);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置外设总线

    PeriphBus_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

外设总线优先级

外设总线的优先级配置可以提高系统的响应速度，确保关键外设的访问优先级。通过配置外设的中断优先级和DMA通道的优先级，可以实现高效的外设管理。

代码示例：外设总线优先级配置

以下是一个配置外设总线优先级的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void PeriphBus_PriorityConfig(void) {

    // 配置DMA通道优先级

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    DMA_HandleTypeDef hdma1;



    hdma1.Instance = DMA1_Channel1;

    hdma1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

    HAL_DMA_Init(&hdma1);



    // 配置UART优先级

    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

    UART_HandleTypeDef huart1;

    huart1.Instance = USART1;

    huart1.Init.Priority = NVIC_PRIORITY_LOW;

    HAL_UART_Init(&huart1);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置外设总线优先级

    PeriphBus_PriorityConfig();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

外设总线DMA传输

DMA传输可以显著提高外设总线的数据传输效率，减少CPU的负担。通过配置DMA通道和外设之间的链接，可以实现高效的数据传输。

代码示例：外设总线DMA传输

以下是一个使用DMA进行UART数据传输的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



// 定义UART传输缓冲区

uint8_t transmitData[10] = "Hello, STM32L4!";



void UART_DMA_Config(void) {

    // 配置UART

    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

    UART_HandleTypeDef huart1;

    huart1.Instance = USART1;

    huart1.Init.BaudRate = 9600;

    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;

    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;

    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

    HAL_UART_Init(&huart1);



    // 配置DMA

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    DMA_HandleTypeDef hdma1;



    hdma1.Instance = DMA1_Channel1;

    hdma1.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;

    hdma1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

    hdma1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

    hdma1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;

    hdma1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;

    hdma1.Init.Mode = DMA_NORMAL;

    hdma1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

    hdma1.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

    HAL_DMA_Init(&hdma1);



    // 链接DMA和UART

    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmarx, hdma1);

    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma1);



    // 开始DMA传输

    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, transmitData, 10);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置UART和DMA

    UART_DMA_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

内存保护单元（MPU）

MPU配置

STM32L4系列的MPU配置非常灵活，可以保护多个内存区域，防止非法访问。配置MPU时需要指定区域的起始地址、大小、访问权限和缓存属性。合理的MPU配置可以防止任务之间的干扰，确保系统的稳定性和安全性。

代码示例：MPU配置

以下是一个配置MPU的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void MPU_Config(void) {

    // 启用MPU

    HAL_MPU_Enable(MPU_HARD_FAULT_NA);



    // 配置MPU区域

    MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;



    // 区域0：保护闪存

    MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x0800 0000;

    MPU_InitStruct.RegionSize = MPU_REGION_SIZE_128KB;

    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_NO_ACCESS;

    MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_BUFFERABLE_DISABLE;

    MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_CACHEABLE_DISABLE;

    MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_UNSHAREABLE;

    MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;

    MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;

    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;

    MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);



    // 区域1：保护SRAM

    MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x2000 0000;

    MPU_InitStruct.RegionSize = MPU_REGION_SIZE_64KB;

    MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_PRIV_RW;

    MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_BUFFERABLE_DISABLE;

    MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_CACHEABLE_ENABLE;

    MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_UNSHAREABLE;

    MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;

    MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;

    MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;

    MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_DISABLE;

    HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 配置MPU

    MPU_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

MPU使用场景

MPU在实际应用中非常有用，特别是在多任务操作系统和安全关键应用中。合理的MPU配置可以防止任务之间的干扰，确保系统的稳定性和安全性。以下是一些常见的MPU使用场景：

多任务操作系统
在多任务操作系统中，MPU可以防止一个任务对另一个任务的内存区域进行非法访问，确保系统的稳定性和安全性。
安全关键应用
在安全关键应用中，MPU可以保护关键数据和代码，防止恶意攻击和意外的数据修改。

缓存管理

缓存配置

STM32L4系列的缓存配置包括指令缓存（ICache）和数据缓存（DCache）。缓存可以显著提高系统的性能，但不当的缓存配置可能会导致数据不一致和其他问题。合理配置缓存可以优化内存访问速度，减少CPU的等待时间。

ICache配置

指令缓存（ICache）用于存储最近访问的指令，减少指令读取时间。可以通过软件控制启用或禁用ICache。

启用ICache

适用于需要高速执行代码的场景。

禁用ICache

适用于调试或测试，以确保指令的执行顺序与代码中一致。

代码示例：ICache配置

以下是一个启用和禁用ICache的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void ICache_Enable(void) {

    // 启用ICache

    HAL_ICACHE_Enable();

}



void ICache_Disable(void) {

    // 禁用ICache

    HAL_ICACHE_Disable();

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 启用ICache

    ICache_Enable();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

DCache配置

数据缓存（DCache）用于存储最近访问的数据，减少数据读取时间。同样可以通过软件控制启用或禁用DCache。

启用DCache

适用于频繁读写数据的场景，可以显著提高数据访问速度。

禁用DCache

适用于调试或测试，以确保数据的一致性。

代码示例：DCache配置

以下是一个启用和禁用DCache的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void DCache_Enable(void) {

    // 启用DCache

    HAL_DCACHE_Enable();

}



void DCache_Disable(void) {

    // 禁用DCache

    HAL_DCACHE_Disable();

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 启用DCache

    DCache_Enable();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

缓存管理操作

除了启用和禁用缓存外，STM32L4系列还提供了多种缓存管理操作，如刷新缓存、使缓存失效等。这些操作在特定情况下非常有用，例如在进行DMA传输时，确保缓存中的数据与内存中的数据一致，避免数据不一致问题。

代码示例：缓存管理操作

以下是一个进行缓存刷新和使缓存失效的示例代码：


#include "stm32l4xx_hal.h"



void Cache_Management(uint32_t address, uint32_t length) {

    // 刷新DCache

    HAL_DCACHE_Invalidate(address, length);



    // 刷新ICache

    HAL_ICACHE_Invalidate(address, length);



    // 使DCache失效

    HAL_DCACHE_Disable();



    // 使ICache失效

    HAL_ICACHE_Disable();

}



int main(void) {

    HAL_Init();



    // 初始化系统时钟

    SystemClock_Config();



    // 缓存管理

    Cache_Management(0x2000 0000, 0x1000);



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

缓存使用场景

缓存在实际应用中非常有用，特别是在高性能计算和实时系统中。合理的缓存配置可以显著提高系统的响应速度和整体性能。以下是一些常见的缓存使用场景：

高频访问的数据
对于频繁访问的数据，启用DCache可以显著减少访问时间。
频繁执行的代码
对于频繁执行的代码段，启用ICache可以减少指令读取时间，提高执行效率。
DMA传输
在进行DMA传输时，确保缓存中的数据与内存中的数据一致，避免数据不一致问题。

总结

STM32L4系列微控制器的内存架构设计旨在提供高性能、低功耗和高灵活性。合理的内存管理和缓存配置对于优化系统性能和降低功耗至关重要。通过使用HAL库和配置内存保护单元（MPU）、直接存储器访问（DMA）等技术，可以实现高效的数据管理和系统保护。希望本文的内容能够帮助开发者更好地理解和利用STM32L4系列的内存架构，提升系统的性能和稳定性。

作者：kkchenkx

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