STM32与FPGA+之间的FSMC通信

1. 引言

STM32是ST(意法半导体)公司推出的基于ARM内核Cortex－M3的32位微控制器系列。Cortex－M3内核是为低功耗和价格敏感的应用而专门设计的，具有突出的能效比和处理速度。通过采用Thumb－2高密度指令集，Cortex－M3内核降低了系统存储要求，同时快速的中断处理能够满足控制领域的高实时性要求，使基于该内核设计的STM32系列微控制器能够以更优越的性价比，面向更广泛的应用领域。

STM32系列微控制器为用户提供了丰富的选择，可适用于工业控制、智能家电、建筑安防、医疗设备以及消费类电子产品等多方位嵌入式系统设计。STM32系列采用一种新型的存储器扩展技术——FSMC，在外部存储器扩展方面具有独特的优势，可根据系统的应用需要，方便地进行不同类型大容量静态存储器的扩展。

2. FSMC机制

2.1 FSMC技术优势

①支持多种静态存储器类型。STM32通过FSMC町以与SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NANDFlash存储器的引脚直接相连。

②支持丰富的存储操作方法。FSMC不仅支持多种数据宽度的异步读／写操作，而且支持对NOR／PSRAM／NAND存储器的同步突发访问方式。

③支持同时扩展多种存储器。FSMC的映射地址空间中，不同的BANK是独立的，可用于扩展不同类型的存储器。当系统中扩展和使用多个外部存储器时，FSMC会通过总线悬空延迟时间参数的设置，防止各存储器对总线的访问冲突。

④支持更为广泛的存储器型号。通过对FSMC的时间参数设置，扩大了系统中可用存储器的速度范围，为用户提供了灵活的存储芯片选择空间。

⑤支持代码从FSMC扩展的外部存储器中直接运行，而不需要首先调入内部SRAM。

2.2 FSMC内部结构

STM32微控制器之所以能够支持NOR Flash和NAND Flash这两类访问方式完全不同的存储器扩展，是因为FSMC内部实际包括NOR Flash和NAND／PC Card两个控制器，分别支持两种截然不同的存储器访问方式。在STM32内部，FSMC的一端通过内部高速总线AHB连

接到内核Cortex－M3，另一端则是面向扩展存储器的外部总线。内核对外部存储器的访问信号发送到AHB总线后，经过FSMC转换为符合外部存储器通信规约的信号，送到外部存储器的相应引脚，实现内核与外部存储器之间的数据交互。FSMC起到桥梁作用，既能够进行信号类型的转换，又能够进行信号宽度和时序的调整，屏蔽掉不同存储类型的差异，使之对内核而言没有区别。

2.3 FSMC映射地址空间

FSMC管理1 GB的映射地址空间。该空间划分为4个大小为256 MB的BANK，每个BANK又划分为4个64 MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2个控制器管理的映射地址空间不同。NOR Flash控制器管理第1个BANK，NAND／PC Card控制器管理第2～4个BANK。由于两个控制器管理的存储器类型不同，扩展时应根据选用的存储设备类型确定其映射位置。其中，BANK1的4个子BANK拥有独立的片选线和控制寄存器，可分别扩展一个独立的存储设备，而BANK2～BANK4只有一组控制寄存器。

3. FSMC扩展外部SRAM配置

在STM32 与 FPGA 进行通信的时候，FPGA其实可以看做STM32外部的SRAM, 因此相应的配置可以参考对外部SRAM的配置。

SRAM／ROM、NOR Flash和PSRAM类型的外部存储器都是由FSMC的NOR Flash控制器管理的，扩展方法基本相同，其中NOR Flash最为复杂。通过FSMC扩展外部存储器时，除了传统存储器扩展所需要的硬件电路外，还需要进行FSMC初始化配置。FSMC提供大量、细致的可编程参数，以便能够灵活地进行各种不同类型、不同速度的存储器扩展。外部存储器能否正常工作的关键在于：用户能否根据选用的存储器型号，对配置寄存器进行合理的初始化配置

3.1地址映射空间

3.2读写时序控制

3.3配置存储器基本特征

通过对FSMC特殊功能寄存器FSMC_BCRi(i为子BANK号，i=1，…，4)中对应控制位的设置，FSMC根据不同存储器特征可灵活地进行工作方式和信号的调整。根据选用的存储器芯片确定需要配置的存储器特征，主要包括以下方面：

①存储器类型(MTYPE)是SRAM／ROM、PSRAM，还是NOR FlaSh； ②存储芯片的地址和数据引脚是否复用(MUXEN)，FSMC可以直接与AD0～AD15复用的存储器相连，不需要增加外部器件；

③存储芯片的数据线宽度(MWID)，FSMC支持8位／16位两种外部数据总线宽度；

④对于NOR Flash(PSRAM)，是否采用同步突发访问方式(B URSTEN)； ⑤对于NOR Flash(PSRAM)，NWAIT信号的特性说明(WAITEN、WAITCFG、WAITPOL)；

⑥对于该存储芯片的读／写操作，是否采用相同的时序参数来确定时序关系(EXTMOD)。

3.4配置存储器时序参数

FSMC通过使用可编程的存储器时序参数寄存器，拓宽了可选用的外部存储器的速度范围。FSMC的SRAM控制器支持同步和异步突发两种访问方式。选用同步突发访问方式时，FSMC将HCLK(系统时钟)分频后，发送给外部存储器作为同步时钟信号FSMC_CLK。此时需要的设置的时间参数有2个：

①HCLK与FSMC_CLK的分频系数(CLKDIV)，可以为2～16分频； ②同步突发访问中获得第1个数据所需要的等待延迟(DATLAT)。

对于异步突发访问方式，FSMC主要设置3个时间参数：地址建立时间(ADDSET)、数据建立时间(DATAST)和地址保持时间(ADDHLD)。FSMC综合了SRAM／ROM、PSRAM和NOR Flash产品的信号特点，定义了4种不同的异步时序模型。选用不同的时序模型时，需要设置不同的时序参数，如表2所列。在实际扩展时，根据选用存储器的特征确定时序模型，从而确定各时间参数与存储器读／写周期参数指标之间的计算关系；利用该计算关系和存储芯片数据手册中给定的参数指标，可计算出FSMC所需要的各时间参数，从而对时间参数寄存器进行合理的配置。

4. STM32扩展外部SRAM实例

4.1 难点解析

4.1.1 数据传输自动化

第一个角度理解 STM32 有FSMC（其实其他芯片基本都有类似的总线功能），FSMC 的好处就是你一旦设置好之后，WR(写)、RD(读)、DB0-DB15 这些控制线和数据线，都是FSMC 自动控制的。打个比方，当你在程序中写到：

*(volatile unsigned short int *)(0x60000000)=val;

那么FSMC 就会自动执行一个写的操作，其对应的主控芯片的WE、RD 这些脚，就会呈现出写的时序出来（即WE=0,RD=1），数据val 的值也会通过

DB0-15 自动呈现出来(即FSMC-D0:FSMC-D15=val )。地址0x60000000 会被呈现在数据线上（即A0-A25=0，地址线的对应最麻烦，要根据具体情况来。

4.1.2 硬件连接

硬件平台：（STM32F103VC + EP3C5E144C8N）

将图中的IS61WV512BLL 改为FPGA 对应的接口即,可按照模式A-SRAM/PSRAM进行连接

那么在硬件上面，我们需要做的，仅仅是MCU 和LCD 控制芯片的连接关系： WE-WR，均为低电平有效 RD-RD，均为低电平有效

FSMC-D0-15 接LCD DB0-15 FSMC_NE1--CS 接PD7

连接好之后，读写时序都会被FSMC 自动完成。但是还有一个很关键的问题，就是RS 没有接因为在FSMC 里面，根本就没有对应RS。怎么办呢？这个时候，有一个好方法，就是用某一根地址线来接RS。比如我们选择了A16 这根地址线来接，那么当我们要写寄存器（备注：此处应为数据）的时候，我们需要RS，也就是A16(RS 为高)置高。软件中怎么做呢？也就是将FSMC 要写的地址改成0x60010000，如下：

*(volatile unsigned short int *)(0x60010000)=val; 这个时候，A16 在执行其他FSMC 的同时会被拉高，因为A0-A18 要呈现出地0x60010000。0x60010000 里面的Bit17=1，就会导致A16 为1。当要读数据（备注：此处为寄存器）时，地址由0x60010000 改为了0x60000000，这个时候A16 就为0了。

RS 问题：RS 为0 表示；读写寄存器;RS 为1，读写数据RAM；

4.2应用STM32固件对FSMC进行初始化配置

ST公司为用户开发提供了完整、高效的工具和固件库，其中使用C语言编写的固件库提供了覆盖所有标准外设的函数，使用户无需使用汇编操作外设特性，从而提高了程序的可读性和易维护性。

STM32固件库中提供的FSMC的SRAM控制器操作固件，主要包括1个数据结构和3个函数

FSMC_NORSRAMInitStructure （调用库函数）

RCC_Configuration(); （时钟选择）

NVIC_Configuration(); （中断优先级） FSMC_GPIO_Configuration(); （连接IO口初始化） FSMC_SRAM_Init(); （FMSC配置） USART_Initial(); （UART1端口配置 ）

4.2 其他人调试遇到问题点（摘录）

项目中需要使用STM32和FPGA通信，使用的是地址线和数据线，在FPGA中根据STM32的读写模式A的时序完成写入和读取。之前的PCB设计中只使用了8跟数据线和8根地址线，调试过程中没有发现什么问题，在现在的PCB中使用了8根地址线和16根数

据线，数据宽度也改成了16位，刚开始是读取数据不正确，后来发现了问题，STM32在16位数据宽度下有个内外地址映射的问题，只需要把FPGA中的设定的地址乘以2在STM32中访问就可以了，但是在写操作的时候会出现写当前地址的时候把后面的地址写成0的情况，比如说我给FPGA中定义的偏移地址0x01写一个16位数据，按照地址映射，在STM32中我把地址写入0x02,。实际测试发现这个地址上的数据是对的，但是FPGA中0x02地址上的数据也变成了00。

块1存储区被划分为4个NOR/PSRAM区，这四个区在内部地址上是连续排列的。但是实际上每个区共用的是同一组地址线与数据线，因此需要有 内外的一个地址映射，因此在STM32中实际上有两个地址，一个是在内部访问的地址，另外一个是实际地址线输出的地址。HADDR[27:0]对应的是需要转换到外部存储器的内部AHB地址线，其HADDR[27:26]位用于选择四个存储块之一。HADDR[25:0]包含外部存储器地址。HADDR是字节地址，而不同的外部存储器数据长度也不一样，因此在数据宽度为8位和16位时映射关系也不一样。

在数据宽度为8位时HADDR[25:0]与FSMC_A[25:0]对应相连，这时候在STM32中访

问的地址和实际地址线产生的地址是一致的。而在16位数据宽度时HADDR[25:1]与FSMC_A[24:0]对应相连，HADDR[0]未接，这时候实际地址线上给出的地址为需要访问的偏移地址的一半。

经过一晚上的测试，发现写数据时实际上是进行了多次写入，导致把后面的地址也

给写上了，最终导致数据混乱，后来经过学长提醒，决定把访问的地址定义为16位的，原来是32位的，经过测试问题解决。所以这儿也算是长了经验，因为我只用了8根地址线，为了避免可能的问题，地址最好定义成对应的位数。但是还是很纳闷为什么之前八位数据线读写的时候没有这个问题。

5.结 语

STM32作为新一代ARM Cortex-M3核处理器，其卓越的性能和功耗控制能够适用于广泛的应用领域；而其特殊的可变静态存储技术FSMC具有高度的灵活性，对于存储容量要求较高的嵌入式系统设计，能够在不增加外部分立器件的情况下，扩展多种不同类型和容量的存储芯片，降低了系统设计的复杂性，提高了系统的可靠性。

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