果果小师弟 · 1月13日

你必须知道的单片机存储器的那些事!

摘要:在单片机开发板上或者是核心板上通常会看到除了MCU之外的的芯片—EEPROM和FLASH,一般是AT24CXX、W25QXX这两颗芯片。但在利用单片机做一些项目的时候,比如做一个小车,驱动一些外设、显示一些温湿度信息等,却发现一般没有用到这些芯片。在做一些显示的时候却会用到。他们与单片机之间的通信方式就是IIC和SPI通信,在单片机的开发中用到的非常多。很多小伙伴就会说了,用OLED来显示一些数据,IIC通信直接用别人的代码,驱动SD卡或者NRF24L01直接拿别人的SPI代码就可以啊,难道我还自己去写驱动吗?

当然需要,学会了这些操作,层次就会提高很多,不信那就接着往下看!

EEPROM AT24C02存储器

学单片机的时候大家可能有一个问题,为啥是IIC读写EEPROM,而不是读写其他的东西。为什么大部分的单片机开发教程都教我利用IIC通信来读写EEPROM这颗AT24C02芯片?4针0.96寸OLED也是IIC操作的,为啥他们不叫我如何利用IIC通信来操作OLED?

原因很简单,主要是读写EEPROM你学完了没有成就感,会读写EEPROM又怎么样?归根到底是没有掌握IIC体会到IIC通信的重要性。今年疫情很严重,有一款红外测温芯片mlx90641就是通过IIC来读取温度的。我想如果教程是IIC读写红外测温芯片,大家可能会比较感兴趣。言归正传,来说一说EEPROM。

ROM是“Read Only Memory”的缩写,意为只能读的存储器。由于技术的发展,后来设计出了可以方便写入数据的 ROM,而这个“Read Only Memory”的名称被沿用下来了。EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是电可擦除存储器。EEPROM 可以重复擦写,EEPROM 是一种掉电后数据不丢失的存储器,常用来存储一些配置信息,以便系统重新上电的时候加载之。它的擦除和写入都是直接使用电路控制,不需要再使用外部设备来擦写。而且可以按字节为单位修改数据,无需整个芯片擦除。现在主要使用的ROM芯片都是EEPROM。24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器(掉电不丢失),内部含有256个字节,在24C02里面有一个8字节的页写缓冲器。

操作任何的IIC设备一般都要知道从机地址,也就是利用单片机操作读写的那个设备的地址。一般来说对于IIC设备地址是7位,其中高 4 位固定为:1010 b,低 3 位则由 A0/A1/A2信号线的电平决定。所以一个IIC总线上可以挂载2^3=8个EEPROM芯片,当然一般一个单片机只有一块EEPROM芯片,所以我们直接把这个A2A1A0接地即可,当然接VCC也没有问题,如果接GND那么地址就是1010000(0X50),如果接VCC那么地址就是1010111(0X57)。

因为24C02是一个2K Bit的串行EEPROM存储器(掉电不丢失),内部含有256个字节。也就是说有256个存储单元,一个字节就是一个存储单元,因为每个字节可以出存256个数,也就是说每个存储单元可以存0~255个数。我们可以这样理解,<font color = red>AT24C02是一栋教学楼,这个教学楼有256个房间(存储单元),没每个房间可以容纳256个学生(每个存储单元可以存储0 ~ 255个数)。而且这个芯片在断电的时候数据不会丢失,利用掉电不会丢失以及这款芯片容量不大的特性,可以大致判断它会在哪些地方可以用到。</font>比如我们看电视得时候,正在看CCTV6电影频道,播放的声音比较大,那么这时候正好停电了。那么你下次来电时你打开电视机,电视机默认肯定是CCTV6电影频道,播放的声音也是很大。那么这些“频道”、“音量”这些数据就存在EEPROM里面,至于是不是ATC02就不一定了。

总结:

  • 存储量少,用起来方便
  • 可以任意访问地址数据,每一个存储单片可以独立访问,
  • 写入前是不需要对写入的单片做独立的擦除

这三个特点对我们理解存储器的特性非常重要,因为接下来要说的FLASH芯片的特性就与它完全相反。

FLASH W25Q128存储器


FLSAH字面意思就是闪现、一瞬间的意思,所以FLSAH 存储器又称闪存,与 EEPROM 都是掉电后数据不丢失的存储器,但 FLASH存储器容量普遍大于 EPROM,现在基本取代了它的地位。生活中常用的 U 盘、SD卡、SSD 固态硬盘以及我们 STM32 芯片内部用于存储程序的设备,都是 FLASH 类型的存储器。在存储控制上,最主要的区别是 FLASH 芯片只能一大片一大片地擦写,而 EEPROM可以单个字节擦写。

FLASH 芯片的最小擦除单位为扇区(Sector),而一个块(Block)包含 16 个扇区,4Kbytes为一个Sector,16个扇区为1个Block。W25Q64 容量为8M字节(即 64M bit), 分为128块(Block),每一块的大小为64K字节,每块又分为16个扇区(Sector),那么每个扇区就是4K个字节。W25Q128 容量为16M字节(即 128M bit),分为256块(Block),每一块的大小为64K字节,每块又分为16个扇区(Sector),那么每个扇区就是4K个字节(4096个字节,也就是4096个存储单元)。

W25Qxx的最小擦除单位为一个扇区,也就是每一次必须擦除4K字节。所以必须给W25Qxx开辟至少4K的缓冲区,这样对单片机的RAM的要求比较高,要求芯片必须有4K以上的RAM才能很好的操作。所有的FLASH我们在写之前都要擦出对应的扇区,擦除后的数据是0XFF。我们可以这样理解。<font color = red>我们要改写FLASH芯片W25Q128的一个扇区中某一个数据,就必须在STM32芯片的内部RAM中开辟4K字节(4096字节)的缓冲区域。先把FLASH芯片W25Q128的一个扇区中数据全部读到STM32芯片的内部RAM中开辟4K字节(4096字节)的缓冲区域中去,把我们要改写的数据在缓冲区域改写好之后,再把FLASH芯片W25Q128的一个扇区中的数据全部擦除完毕,擦除完成之后再把数据写回去。</font>这是写入数据的操作,在读数据的时候不需要以扇区为单位,想读哪个扇区就读哪个扇区的数据。

/*******************************************************************************
* Function Name  : SPI_Flash_Write
* Description    : 在指定地址开始写入指定长度的数据,该函数带擦除操作!
* Input          :  *pBuffer:要写入数据的指针
                    WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
                    NumByteToWrite:要写入的字节数(最大16 x 1024 x 1024) 
* Output         : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
void SPI_Flash_Write(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
    u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;    
    Addr = WriteAddr % 4096;//mod运算求余,若writeAddr是4096整数倍,运算结果Addr值为0    
    NumOfPage =  NumByteToWrite / 4096;//计算出要写多少整数扇区    
    NumOfSingle = NumByteToWrite % 4096;//mod运算求余,计算出剩余不满一扇区的字节数    
    count = 4096 - Addr;//差count个数据值,刚好可以对齐到扇区地址    
    if (Addr == 0)//Addr=0,则WriteAddr刚好按扇区对齐或者说小于一个扇区
    {    
        //NumByteToWrite < 4096,写入的字符串大小长度小于一个扇区(4096个字节)的大小,如22
        if (NumOfPage == 0) 
        {
            SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
        }
        else //NumByteToWrite > 4096,写入的字符串大小长度大与一个扇区(4096个字节)的大小,如4098
        { 
            //先把整数扇区都写了
            while (NumOfPage--)
            {
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, 4096);
                WriteAddr +=  4096;
                pBuffer += 4096;
            }
            //若有多余的不满一扇区的数据,把它写完
            SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
        }
    }
    //若地址与 4096 不对齐
    else //Addr不等于0,则要写入的WriteAddr地址与4096不对齐
    {
        //NumByteToWrite < 4096
        if (NumOfPage == 0)//大小不够一个扇区,如22
        {
            //当前页剩余的count个位置比NumOfSingle小,一扇区写不完
            if (NumOfSingle > count) 
            {
                temp = NumOfSingle - count;
                //先写满当前扇区
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, count);
                
                WriteAddr +=  count;
                pBuffer += count;
                //再写剩余的数据
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, temp);
            }
            else //当前扇区剩余的count个位置能写完NumOfSingle个数据
            {
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
            }
        }
        else //NumByteToWrite > 4096  //大小够一个扇区,而且还超出一点点,如4098
        {
            //地址不对齐多出的count分开处理,不加入这个运算
            NumByteToWrite -= count;
            NumOfPage =  NumByteToWrite / 4096;
            NumOfSingle = NumByteToWrite % 4096;
            
            //先写完count个数据,为的是让下一次要写的地址对齐
            SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, count);
            
            //接下来就重复地址对齐的情况 */
            WriteAddr +=  count;
            pBuffer += count;
            //把整数扇区都写了*/
            while (NumOfPage--)
            {
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, 4096);
                WriteAddr +=  1096;
                pBuffer += 4096;
            }
            //若有多余的不满一扇区的数据,把它写完
            if (NumOfSingle != 0)
            {
                SPI_Flash_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
            }
        }
    }
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : SPI_Flash_Read
* Description    : 在指定地址开始读取指定长度的数据
* Input          :  *pBuffer:存储读出数据的指针
                    ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
                    NumByteToRead:要读取的字节数(最大 16 x 1024 x 1024)
* Output         : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
void SPI_Flash_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ 
     u16 i;                                                        
    SPI_FLASH_CS=0;                                    //使能器件   
    SPI1_ReadWriteByte(CMD_W25X_ReadData);             //发送读取命令   
    SPI1_ReadWriteByte((ReadAddr& 0xFF0000)>>16);      //发送扇区地址的高8bit   
    SPI1_ReadWriteByte((ReadAddr& 0xFF00)>>8);       //发送扇区地址的中间8bit 
    SPI1_ReadWriteByte( ReadAddr& 0xFF);               //发送扇区地址的低8bit 
    for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
    { 
        pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);   //循环读数  
    }
    SPI_FLASH_CS=1;                            //取消片选               
}  

总结:

  • 存储量大
  • 不能任意访问字节地址数据,每一个存储单片不可以独立访问,最小读取单元是一个扇区
  • 写入前是必须对写入的扇区做独立的擦除操作。擦除的目的是使存储单元的数据全为1

SD卡大容量存储器

SD 卡(Secure Digital Memory Card)在我们生活中已经非常普遍了,控制器对 SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选,一种是 SPI接口,另外一种是 SDIO 接口。SDIO全称是安全数字输入/输出接口,多媒体卡(MMC)、SD卡、SD I/O 卡(专指使用SDIO 接口的一些输入输出设备)都可使用 SDIO 接口通讯。STM32F10x 系列控制器有一
个 SDIO 主机接口,它支持与上述使用 SDIO 接口的设备进行数据传输。

STM32F10x 系列控制器只支持 SD 卡规范版本 2.0,即只支持标准容量SD和高容量 SDHC 标准卡,不支持超大容量 SDXC 标准卡,所以可以支持的最高卡容量是 32GB。SD 卡一般都支持 SDIO 和 SPI 这两种接口。另外,STM32F42x 系列控制器的 SDIO 是不支持 SPI通信模式的,如果需要用到 SPI通信只能使用 SPI外设。因为SPI通信方式操作SD卡的数据线只有一根,而如果用SDIO的通信方式操作SD卡的数据线却又3根。为了节省资源一般在STM32F10x 系列控制器上用SPI的通信方式,而在引脚资源比较多的F4系列上就用SDIO的通信方式了。

  • SD容量有8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB (磁盘格式FAT12、FAT16)
  • SDHC容量有2GB、4GB、8GB、16GB、32GB(磁盘格式FAT32)
  • SDXC容量有32GB、48GB、64GB、128GB、256GB(磁盘格式exFAT)

3.1初始化

1、初始化与 SD 卡连接的硬件条件(MCU 的 SPI 配置,IO 口配置);
2、上电延时(>74 个 CLK);
3、复位卡(CMD0),进入 IDLE 状态;
4、发送 CMD8,检查是否支持 2.0 协议;
5、根据不同协议检查 SD 卡(命令包括:CMD55、CMD41、CMD58 和 CMD1 等);
6、取消片选,发多 8 个 CLK,结束初始化

/*******************************************************************************
* Function Name  : SD_Init
* Description    : 初始化SD卡
* Input          : None
* Output         : None
* Return         : u8 
*                  0:NO_ERR
*                  1:TIME_OUT
*                  99:NO_CARD
*******************************************************************************/
u8 SD_Init(void)
{
    u8 r1;      // 存放SD卡的返回值
    u16 retry;  // 用来进行超时计数
    u8 buf[4];  
    u16 i;
    SD_SPI_Init();        //初始化IO
     SD_SPI_SpeedLow();    //设置到低速模式    
     //先产生至少74个脉冲,让SD卡自己初始化完成
     for(i=0;i<10;i++)
    {
        SD_SPI_WriteByte(0XFF);////80clks
    }    
    //-----------------SD卡复位到idle开始-----------------
    //循环连续发送CMD0,直到SD卡返回0x01,进入IDLE状态
    //超时则直接退出
    retry=0;
    do
    {
        r1=SD_SendCmd(CMD0,0,0x95);//进入IDLE状态,作用是让SD卡进入SPI模式。这里的CRC校验位0x95是固定的,不能修改
        retry++;
    }while((r1!=0X01) && (retry<20));//如果 SD 卡有正确的回应,代码就继续执行,如果没有回应程序就终止执行。
     //跳出循环后,检查原因:初始化成功?or 重试超时?
    if(retry==20) return 1;   //超时返回1
    SD_Type=0;//默认无卡    
    //下面是V2.0卡的初始化
    //其中需要读取OCR数据,判断是SD2.0还是SD2.0HC卡
    if(r1==0X01)
    {
        if(SD_SendCmd(CMD8,0x1AA,0x87)==1)//SD V2.0
        {
            //V2.0的卡,CMD8命令后会传回4字节的数据,要跳过再结束本命令
            buf[0]=SD_SPI_ReadByte();    //should be 0x00
            buf[1]=SD_SPI_ReadByte();    //should be 0x00
            buf[2]=SD_SPI_ReadByte();    //should be 0x01
            buf[3]=SD_SPI_ReadByte();    //should be 0xAA
            if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)//判断卡是否支持2.7~3.6V的电压范围
            {
                retry=0XFFFE;
                //发卡初始化指令CMD55+CMD41
                do
                {
                    SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);    //发送CMD55
                    r1=SD_SendCmd(CMD41,0x40000000,0X01);//发送CMD41
                }while(r1&&retry--);                
                
                //初始化指令发送完成,接下来获取OCR信息           
                //-----------鉴别SD2.0卡版本开始-----------
                if(retry&&SD_SendCmd(CMD58,0,0X01)==0)//鉴别SD2.0卡版本开始
                {
                    //读OCR指令发出后,紧接着是4字节的OCR信息
                    buf[0]=SD_SPI_ReadByte();    
                    buf[1]=SD_SPI_ReadByte();    
                    buf[2]=SD_SPI_ReadByte();    
                    buf[3]=SD_SPI_ReadByte();
                    //检查接收到的OCR中的bit30位(CCS),确定其为SD2.0还是SDHC
                    //如果CCS=1:为SDV2.0HC的2.0高容量卡   CCS=0:为SDV2.0的2.0版本的标准卡                    
                    if(buf[0]&0x40)
                        SD_Type=SD_TYPE_V2HC;    //检查CCS
                    else 
                        SD_Type=SD_TYPE_V2;  
                    LCD_ShowNum(164,250,SD_Type,5,16);//显示SD卡容量
                //-----------鉴别SD2.0卡版本结束-----------                     
                }
            }            
        }        
        //如果卡片版本信息是v1.0版本的,即r1=0x05,则进行以下初始化
        else//SD V1.0/ MMC    V3
        {
            //先发CMD55,应返回0x01;否则出错
            r1 = SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);        //发送CMD55
               if(r1 != 0x01)
                return r1;      
            //得到正确响应后,发ACMD41,应得到返回值0x00
            r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);    //发送CMD41
            if(r1<=1)
            {        
                SD_Type=SD_TYPE_V1;
                retry=0XFFFE;
                do //等待退出IDLE模式
                {
                    SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);    //发送CMD55
                    r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//发送CMD41
                }while(r1&&retry--);
            }else//MMC卡不支持CMD55+CMD41识别
            {
                SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3
                retry=0XFFFE;
                do //等待退出IDLE模式
                {                                                
                    r1=SD_SendCmd(CMD1,0,0X01);//发送CMD1,发送MMC卡初始化命令
                }while(r1&&retry--);  
            }
            if(retry==0||SD_SendCmd(CMD16,512,0X01)!=0)
                SD_Type=SD_TYPE_ERR;//错误的卡
        }
    }
    SD_DisSelect();//取消片选
    SD_SPI_SpeedHigh();//高速
    if(SD_Type)        return 0;
    else if(r1)        return r1;        
    return 0xaa;//其他错误
}

3.2写数据通过 CMD24实现

1、发送 CMD24;
2、接收卡响应 R1;
3、发送写数据起始令牌 0XFE;
4、发送数据;
5、发送 2 字节的伪 CRC;
6、禁止片选之后,发多 8 个 CLK;

/*******************************************************************************
* Function Name  : SD_WriteDisk
* Description    : 向SD卡写数据
* Input          : buf:数据缓存区
*                   sector:扇区
*                   cnt:扇区数
* Output         : None
* Return         : u8 
*                  0:ok
*                  其他,失败.
*******************************************************************************/
u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)
{
    u8 r1;
    if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector *= 512;//转换为字节地址
    if(cnt==1)
    {
        r1=SD_SendCmd(CMD24,sector,0X01);//读命令
        if(r1==0)//指令发送成功
        {
            r1=SD_SendBlock(buf,0xFE);//写512个字节       
        }
    }else
    {
        if(SD_Type!=SD_TYPE_MMC)
        {
            SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);    
            SD_SendCmd(CMD23,cnt,0X01);//发送指令    
        }
         r1=SD_SendCmd(CMD25,sector,0X01);//连续读命令
        if(r1==0)
        {
            do
            {
                r1=SD_SendBlock(buf,0xFC);//接收512个字节     
                buf+=512;  
            }while(--cnt && r1==0);
            r1=SD_SendBlock(0,0xFD);//接收512个字节 
        }
    }   
    SD_DisSelect();//取消片选,释放SPI总线
    return r1;
}

3.3读取数据通过 CMD17实现

1、发送 CMD17;
2、接收卡响应 R1;
3、接收数据起始令牌 0XFE;
4、接收数据;
5、接收 2 个字节的 CRC,如果不使用 CRC,这两个字节在读取后可以丢掉。
6、禁止片选之后,发多 8 个 CLK;

/*******************************************************************************
* Function Name  : SD_ReadDisk
* Description    : 读SD卡数据
* Input          : buf:数据缓存区
*                   sector:扇区
*                   cnt:扇区数
* Output         : None
* Return         : u8 
*                  0:ok
*                  其他,失败.
*******************************************************************************/
u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)
{
    u8 r1;
    if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector <<= 9;//转换为字节地址
    if(cnt==1)
    {
        r1=SD_SendCmd(CMD17,sector,0X01);//读命令
        if(r1==0)//指令发送成功
        {
            r1=SD_RecvData(buf,512);//接收512个字节       
        }
    }else
    {
        r1=SD_SendCmd(CMD18,sector,0X01);//连续读命令
        do
        {
            r1=SD_RecvData(buf,512);//接收512个字节     
            buf+=512;  
        }while(--cnt && r1==0);     
        SD_SendCmd(CMD12,0,0X01);    //发送停止命令
    }   
    SD_DisSelect();//取消片选
    return r1;
}

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