為什么說內(nèi)部Flash驅(qū)動(dòng)是個(gè)既冷門又不冷門的話題 | LPC Flash IAP

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦經(jīng)典LPC系列MCU內(nèi)部Flash IAP驅(qū)動(dòng)。

LPC 系列 MCU 是恩智浦公司于 2003 年開始推出的非常具有代表性的產(chǎn)品，距今已經(jīng)有近 20 年的生命。按時(shí)間線演進(jìn)來說，其主要分為三代：

- 元老：基于 ARM7/9 內(nèi)核的 LPC2000/3000 系列
- 中堅(jiān)：基于 Cortex-M0/0+/3/4 內(nèi)核的 LPC800/1100/1200/1300/1500/1700/1800/4000/4300/54000
- 新銳：基于 Cortex-M33 內(nèi)核的 LPC5500 系列。

其中堅(jiān)產(chǎn)品即是痞子衡今天要重點(diǎn)聊的經(jīng)典 MCU，從其第一顆 LPC1800 到至今仍有新型號(hào)出來的 LPC800，仍然深受廣大開發(fā)者喜愛。今天痞子衡想討論的是內(nèi)部 Flash 驅(qū)動(dòng)這個(gè)對(duì)嵌入式軟件開發(fā)者來說既冷門又不冷門的話題：

Note：本文內(nèi)容主要以 LPC845 這個(gè)型號(hào)為例，未必完全適用其它經(jīng)典 LPC 型號(hào)，具體需要查看相應(yīng)手冊。

一、關(guān)于MCU內(nèi)部Flash的基本概念

痞子衡先解釋下為什么內(nèi)部 Flash 驅(qū)動(dòng)這個(gè)話題既冷門又不冷門。說它冷門是因?yàn)榇蟛糠智度胧杰浖_發(fā)工程師寫的應(yīng)用代碼里很少包含 Flash 操作功能（除非應(yīng)用需要 OTA 升級(jí)或者斷電保存參數(shù)），因此對(duì) Flash 模塊的關(guān)注度不如其它外設(shè)模塊。說它不冷門則是在 IDE 中調(diào)試或者編程器做量產(chǎn)又離不開 Flash 操作，所以避不可免地關(guān)注 Flash 擦寫算法、性能、壽命、效率等。

話說回來，F(xiàn)lash 外設(shè)一般由兩部分組成：Flash 控制器 + Flash Memory 介質(zhì)，其 Memory 介質(zhì)部分從原理上屬于并行 NOR Flash，MCU 上電 Flash 外設(shè)總是使能的，可以通過 AHB 總線直接讀取其映射空間內(nèi)任意 Flash 地址處的數(shù)據(jù)/指令，所以其最主要的作用就是存儲(chǔ)可執(zhí)行代碼。

如果應(yīng)用程序需要做 OTA 升級(jí)，則需要借助 Flash 控制器完成擦除和寫入操作。這里就有一些概念性的東西出現(xiàn)了，比如 Flash 擦除正常是按 Block/Sector 為單元（不排除有些支持按 Page 擦除），并且擦除操作是將 Block/Sector 里全部 bit 從 0 恢復(fù)為 1。而 Flash 寫入則是按 PUnit 為最小單元的（可能是 1/2/4/8 bytes），一次性最多寫入一個(gè) Page 的數(shù)據(jù)（這里指一次完整命令執(zhí)行等待過程）。擦除和寫入操作都不是立刻就完成的，需要等待 Memory 介質(zhì)更新完成（讀 Flash 控制器相應(yīng)狀態(tài)位寄存器）。

LPC845 內(nèi)部 Flash 一共 64KB，劃分為 64 個(gè) Sector，每個(gè) Sector 大小為 1KB。每個(gè) Sector 包含 16 個(gè) Page，每個(gè) Page 大小為 64Bytes。支持按 Sector/Page 擦除，IAP 僅支持按 Page 寫入（但是控制器底層最小寫入單元是 4bytes），不支持 RWW 特性。

    64KB          N/A            N/A           1KB          64Bytes       4Bytes
Flash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector > Flash Page >= Flash PUnit >= Flash Byte
                   |              |             |              |             |
                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元

關(guān)于 Flash 擦寫操作，還有一個(gè)重要概念叫 Read-While-Write（簡稱 RWW），因?yàn)槟J(rèn)代碼是執(zhí)行在 Flash 里，如果我們這個(gè)時(shí)候還做 Flash 擦寫操作，就會(huì)讓同一個(gè) Flash 處于又做擦寫處理同時(shí)也要響應(yīng) AHB 總線來的讀指令請(qǐng)求，大部分 Flash 是無法支持這個(gè)特性的，因此常見的操作是將觸發(fā) Flash 擦寫命令以及讀 Flash 狀態(tài)的代碼重定向到 RAM 里去執(zhí)行。而 LPC 上不一樣的 Flash IAP 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)正是為了解決這個(gè) RWW 限制的。

二、一般Flash驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在講 LPC Flash IAP 特色驅(qū)動(dòng)之前，我們先來看看一般 MCU 上 Flash 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，就以恩智浦 Kinetis MK60DN512Z 系列為例。它的 Flash 外設(shè)是 FTFL （詳見參考手冊里 Chapter 28 Flash Memory Module (FTFL) 章節(jié)），F(xiàn)lash 大小為 512KB，分為兩個(gè) 256KB Block (這里就相當(dāng)于Bank)，支持 RWW 特性（以 Block 為單元）。每個(gè) Block 包含 128 個(gè) Sector，每個(gè) Sector 大小為 2KB。它其實(shí)沒有明確的 Page 概念（但是最大寫入單元是專用 4KB FLEXRAM 的一半，可以理解為 Page 大小就是 2KB），支持的最小寫入單元是 4bytes。

   512KB         256KB          256KB          2KB            2KB         4Bytes
Flash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector >= Flash Page > Flash PUnit >= Flash Byte
                   |              |             |              |             |
                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元

在官方驅(qū)動(dòng) SDK_2_2_0_TWR-K60D100MdevicesMK60D10driversfsl_flash.c 里我們重點(diǎn)關(guān)注如下 5 個(gè)基本函數(shù)，這些函數(shù)都是直接操作 FTFL 外設(shè)寄存器來完成相應(yīng) Flash 擦寫功能的。其中 flash_command_sequence() 內(nèi)部函數(shù)設(shè)計(jì)是核心，每一個(gè) API 基本都會(huì)調(diào)用它，這里面有一個(gè)關(guān)于解決 RWW 限制的黑科技設(shè)計(jì)，后面痞子衡會(huì)寫文章專門介紹。

//?一般初始化函數(shù)，主要是軟件層面初始化
status_t?FLASH_Init(flash_config_t?*config);
//?為了解決?RWW?限制而特殊設(shè)計(jì)的命令觸發(fā)執(zhí)行函數(shù)
status_t?FLASH_PrepareExecuteInRamFunctions(flash_config_t?*config);
static?status_t?flash_command_sequence(flash_config_t?*config)
//?擦除函數(shù)，長度不限(需要按?Sector?對(duì)齊)，key?參數(shù)是為了降低誤擦除風(fēng)險(xiǎn)
status_t?FLASH_Erase(flash_config_t?*config,?uint32_t?start,?uint32_t?lengthInBytes,?uint32_t?key);
//?寫入函數(shù)，長度不限(僅最小寫入單元對(duì)齊限制)，函數(shù)內(nèi)部自動(dòng)結(jié)合?Page?和?PUnit?寫入命令做處理
status_t?FLASH_Program(flash_config_t?*config,?uint32_t?start,?uint32_t?*src,?uint32_t?lengthInBytes);

三、LPC Flash IAP驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理

終于來到本文核心 - LPC Flash IAP 驅(qū)動(dòng)了。按照我們一般經(jīng)驗(yàn)，首先是翻看 LPC845 用戶手冊尋找 Flash 外設(shè)，但是很遺憾，用戶手冊里并沒有 Flash 外設(shè)詳細(xì)介紹，取而代之的是 Chapter 5: LPC84x ISP and IAP 章節(jié)。因?yàn)?LPC 全系列都包含 BootROM（映射地址為 0x0F00_0000 - 0x0F00_3FFF），而 BootROM 代碼里包含了 Flash 擦寫驅(qū)動(dòng)，因此官方直接推薦用戶調(diào)用 ROM 里的 Flash 驅(qū)動(dòng) API 來完成操作，而不是按照傳統(tǒng)方式提供直接操作 Flash 外設(shè)寄存器的 SDK 源碼。

BootROM 提供的 API 不止 Flash IAP 一個(gè)，可以在 Boot Process 章節(jié)里如下圖里找到全部 API。這里我們可以看到 Flash IAP 函數(shù)的統(tǒng)一入口地址是 0x0F001FF1，這在 SDK 里 LPC845_features.h 文件里有如下專門宏：

/*?@brief?Pointer?to?ROM?IAP?entry?functions?*/
#define?FSL_FEATURE_SYSCON_IAP_ENTRY_LOCATION?(0x0F001FF1)

有了 IAP 入口地址，調(diào)用起來就簡單了，芯片用戶手冊里直接給了參考 C 代碼，可以看到 API 設(shè)計(jì)上將全部支持的 13 個(gè)函數(shù)集中在一起了，復(fù)用了輸入?yún)?shù)列表 command_param 和輸出結(jié)果列表 status_result。痞子衡之前寫過一篇 《二代 Kinetis 上的 Flash IAP 設(shè)計(jì)》，那個(gè) API 接口設(shè)計(jì)更偏向現(xiàn)代嵌入式軟件開發(fā)者的習(xí)慣，而 LPC Flash IAP 接口設(shè)計(jì)是 2008 年推出來的，那時(shí)候看是超前時(shí)代。

unsigned?int?command_param[5];
unsigned?int?status_result[5];

typedef?void?(*IAP)(unsigned?int?[],unsigned?int[]);
#define?IAP_LOCATION?*(volatile?unsigned?int?*)(0x0F001FF1)
IAP?iap_entry=(IAP)?IAP_LOCATION;

iap_entry?(command_param,status_result);

四、LPC Flash IAP驅(qū)動(dòng)快速上手

最后看一下官方驅(qū)動(dòng) SDK_2_13_0_LPCXpresso845MAXdevicesLPC845driversfsl_iap.c ，這相當(dāng)于將 Flash IAP 做了二次封裝，我們重點(diǎn)關(guān)注如下 6 個(gè)基本函數(shù)。其中 iap_entry() 最終調(diào)用的是 ROM 中代碼，直接執(zhí)行在 ROM 區(qū)域，不會(huì)和 Flash 訪問沖突，天然沒有 RWW 限制問題。

擦除函數(shù) IAP_ErasePage()/IAP_EraseSector() 沒什么好說的，就是這個(gè)寫入函數(shù) IAP_CopyRamToFlash() 命名有點(diǎn)繞，不符合一般習(xí)慣，然后需要特別注意的是寫入長度 numOfBytes 必須是 Page 倍數(shù)，且不能超過一個(gè) Sector 大?。ǖ菍?shí)測可以橫跨兩個(gè) Sector 一次性寫入多個(gè) Page 數(shù)據(jù)，所以這僅僅是軟件代碼人為規(guī)定，不是 Flash 控制器限制）。最后還有一個(gè)注意點(diǎn)就是擦寫操作都是所謂的 two step process，就是需要先調(diào)用一下 IAP_PrepareSectorForWrite() 函數(shù)才行，這個(gè)設(shè)計(jì)其實(shí)是為了降低程序跑飛出現(xiàn)誤擦寫的風(fēng)險(xiǎn)。

//?一般初始化函數(shù)，主要是配置?Flash?訪問時(shí)間
void?IAP_ConfigAccessFlashTime(uint32_t?accessTime);
//?進(jìn)入?ROM?IAP?的入口函數(shù)
static?inline?void?iap_entry(uint32_t?*cmd_param,?uint32_t?*status_result);
//?擦除和寫入前準(zhǔn)備函數(shù)
status_t?IAP_PrepareSectorForWrite(uint32_t?startSector,?uint32_t?endSector);
//?擦除函數(shù)，按?Page/Sector?為單位
status_t?IAP_ErasePage(uint32_t?startPage,?uint32_t?endPage,?uint32_t?systemCoreClock);
status_t?IAP_EraseSector(uint32_t?startSector,?uint32_t?endSector,?uint32_t?systemCoreClock);
//?寫入函數(shù)，長度最大限定為一個(gè)?Sector
status_t?IAP_CopyRamToFlash(uint32_t?dstAddr,?uint32_t?*srcAddr,?uint32_t?numOfBytes,?uint32_t?systemCoreClock);

至此，恩智浦經(jīng)典LPC系列MCU內(nèi)部Flash IAP驅(qū)動(dòng)入門痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~