LPC1100 系列_8.闪存与存储

8. 闪存与存储

在嵌入式系统设计中，闪存和存储管理是至关重要的部分。NXP LPC1100 系列单片机基于 ARM Cortex-M0 核心，提供了丰富的闪存和存储资源。本节将详细介绍 LPC1100 系列的闪存与存储管理，包括闪存的结构、存储器映射、编程与擦除操作、存储器保护机制以及使用外部存储器的扩展方法。

8.1 闪存结构

LPC1100 系列单片机的闪存结构设计用于存储程序代码和常量数据。闪存的大小根据具体的型号而有所不同，但通常在 32KB 到 256KB 之间。闪存被组织成多个扇区，每个扇区的大小和数量也因型号而异。例如，LPC1114 型号的闪存被分为 16 个 4KB 的扇区。

8.1.1 闪存扇区

闪存扇区是闪存的基本编程单位。每个扇区可以独立进行擦除和编程操作。在 LPC1100 系列中，闪存扇区的擦除和编程操作通常需要特定的时序和命令序列。扇区擦除操作会将整个扇区的数据清零，而编程操作则将数据写入指定的闪存地址。

8.1.2 闪存编程与擦除

闪存的编程和擦除操作需要遵循特定的步骤。以下是一个简单的示例，展示如何在 LPC1100 系列单片机上进行闪存编程和擦除：

#include "LPC11xx.h"

// 定义闪存起始地址
#define FLASH_START_ADDR 0x00000000
// 定义闪存扇区大小
#define FLASH_SECTOR_SIZE 512

// 定义要编程的数据
uint32_t data_to_program[] = {0x12345678, 0x9ABCDEF0};

// 闪存编程函数
void flash_program(uint32_t *addr, uint32_t *data, uint32_t len) {
    // 检查地址是否对齐
    if ((uint32_t)addr % 4 != 0) {
        // 地址未对齐
        return;
    }

    // 检查数据长度是否为 4 的倍数
    if (len % 4 != 0) {
        // 数据长度未对齐
        return;
    }

    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 编程数据
    for (uint32_t i = 0; i < len; i += 4) {
        *addr = *data;
        addr++;
        data++;
    }

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

// 闪存扇区擦除函数
void flash_erase_sector(uint32_t sector_addr) {
    // 检查地址是否对齐
    if (sector_addr % FLASH_SECTOR_SIZE != 0) {
        // 地址未对齐
        return;
    }

    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 擦除扇区
    LPC_FLASH->FLAR = (1 << 24) | (sector_addr & 0x000FFFFF);

    // 等待擦除完成
    while (LPC_FLASH->FLSR & (1 << 0));

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

int main() {
    // 擦除闪存第 0 扇区
    flash_erase_sector(FLASH_START_ADDR);

    // 编程闪存第 0 扇区
    flash_program((uint32_t *)FLASH_START_ADDR, data_to_program, sizeof(data_to_program));

    // 读取编程后的数据
    uint32_t read_data[2];
    for (uint32_t i = 0; i < 2; i++) {
        read_data[i] = ((uint32_t *)FLASH_START_ADDR)[i];
    }

    // 检查编程是否成功
    if (read_data[0] == data_to_program[0] && read_data[1] == data_to_program[1]) {
        // 编程成功
    } else {
        // 编程失败
    }

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.1.3 闪存保护

为了防止意外写入或擦除闪存，LPC1100 系列提供了闪存保护机制。可以通过配置闪存保护寄存器（FLPWP）来启用或禁用保护。以下是一个示例，展示如何配置闪存保护：

#include "LPC11xx.h"

// 启用闪存保护
void enable_flash_protection() {
    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 启用保护
    LPC_FLASH->FLPWP = 1;

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

// 禁用闪存保护
void disable_flash_protection() {
    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 禁用保护
    LPC_FLASH->FLPWP = 0;

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

int main() {
    // 禁用闪存保护
    disable_flash_protection();

    // 擦除闪存第 0 扇区
    flash_erase_sector(FLASH_START_ADDR);

    // 编程闪存第 0 扇区
    flash_program((uint32_t *)FLASH_START_ADDR, data_to_program, sizeof(data_to_program));

    // 启用闪存保护
    enable_flash_protection();

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.2 存储器映射

LPC1100 系列单片机的存储器映射包括闪存、SRAM、外设寄存器等。以下是一个典型的存储器映射表，展示了各个区域的地址范围：

存储器区域	地址范围	大小
闪存	0x00000000 - 0x0003FFFF	256KB
SRAM	0x10000000 - 0x10007FFF	32KB
IO 外设	0x40000000 - 0x5FFFFFFF	256MB

8.2.1 SRAM

SRAM 是单片机的内部随机存取存储器，用于存储运行时的数据。LPC1100 系列的 SRAM 大小通常为 8KB 到 32KB，具体取决于型号。SRAM 的地址范围从 0x10000000 开始。

8.2.2 外部存储器扩展

LPC1100 系列单片机可以通过外部存储器接口（如 SPI、I2C 或 UART）扩展存储器。以下是一个使用 SPI 扩展外部闪存的示例：

#include "LPC11xx.h"
#include "spi.h"

// 定义外部闪存的 SPI 配置
#define SPI_MOSI 0
#define SPI_MISO 1
#define SPI_SCK  2
#define SPI_CS   3

// 初始化 SPI 接口
void spi_init() {
    // 配置 SPI 引脚
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MOSI] = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MOSI] & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MISO] = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MISO] & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_SCK]  = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_SCK]  & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_CS]   = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_CS]   & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;

    // 初始化 SPI 控制器
    LPC_SPI->CR = 0x00000002; // 使能 SPI
    LPC_SPI->DIV = 0x00000004; // 设置时钟分频
    LPC_SPI->TCR = 0x00000001; // 设置数据传输模式
}

// 读取外部闪存数据
uint8_t spi_read(uint8_t addr) {
    // 选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOCLR = (1 << SPI_CS);

    // 发送读取命令
    uint8_t command = 0x03;
    LPC_SPI->DR = command;

    // 等待传输完成
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 发送地址
    LPC_SPI->DR = addr;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 读取数据
    uint8_t data = LPC_SPI->DR;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 取消选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOSET = (1 << SPI_CS);

    return data;
}

// 写入外部闪存数据
void spi_write(uint8_t addr, uint8_t data) {
    // 选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOCLR = (1 << SPI_CS);

    // 发送写入命令
    uint8_t command = 0x02;
    LPC_SPI->DR = command;

    // 等待传输完成
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 发送地址
    LPC_SPI->DR = addr;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 写入数据
    LPC_SPI->DR = data;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 取消选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOSET = (1 << SPI_CS);
}

int main() {
    // 初始化 SPI 接口
    spi_init();

    // 写入数据到外部闪存
    spi_write(0x00, 0x55);

    // 读取外部闪存数据
    uint8_t read_data = spi_read(0x00);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.3 存储器保护机制

LPC1100 系列单片机提供了多种存储器保护机制，以确保系统的安全性和可靠性。这些保护机制包括内存保护单元（MPU）、闪存保护寄存器（FLPWP）和外部存储器保护寄存器（EMC）。

8.3.1 内存保护单元（MPU）

内存保护单元（MPU）可以配置为保护特定的内存区域，防止非法访问。以下是一个配置 MPU 的示例：

#include "LPC11xx.h"

// 配置 MPU 保护区域
void configure_mpu(uint32_t base_addr, uint32_t size, uint32_t access_perms) {
    // 启用 MPU
    LPC_MPU->CTRL = 0x00000001;

    // 配置 MPU 区域
    LPC_MPU->RNR = 0; // 区域编号
    LPC_MPU->RBAR = (base_addr & 0xFFFF8000) | 0x00000001; // 基地址
    LPC_MPU->RASR = (size & 0x00000FFE) | access_perms; // 区域大小和访问权限

    // 使能 MPU
    LPC_MPU->CTRL = 0x00000001;
}

int main() {
    // 配置 MPU 保护 SRAM 区域，只允许读写访问
    configure_mpu(0x10000000, 0x00008000, 0x00000003);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.3.2 外部存储器保护寄存器（EMC）

外部存储器保护寄存器（EMC）可以用于保护外部存储器的访问。以下是一个配置 EMC 的示例：

#include "LPC11xx.h"

// 配置外部存储器保护
void configure_emc_protection(uint32_t base_addr, uint32_t size, uint32_t access_perms) {
    // 配置 EMC 保护区域
    LPC_EMC->PROTECTION[0] = (base_addr & 0xFFFF0000) | (size & 0x000000FF) | (access_perms & 0x00000003);

    // 使能 EMC 保护
    LPC_EMC->PROTECTION[1] = 1;
}

int main() {
    // 配置 EMC 保护外部闪存区域，只允许读写访问
    configure_emc_protection(0x40000000, 0x00008000, 0x00000003);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.4 存储器管理最佳实践

在嵌入式系统中，合理管理存储器资源是至关重要的。以下是一些存储器管理的最佳实践：

8.4.1 闪存使用注意事项

1. 扇区擦除：每次编程前必须先擦除相应的扇区。
2. 数据对齐：确保编程和读取的数据地址和长度对齐。
3. 编程顺序：遵循正确的编程时序和命令序列。
4. 保护机制：启用闪存保护以防止意外写入或擦除。

8.4.2 SRAM 使用注意事项

1. 初始化：在使用 SRAM 之前，确保其已正确初始化。
2. 数据缓存：合理使用数据缓存，提高系统性能。
3. 堆栈管理：确保堆栈大小和位置合理，避免堆栈溢出。

8.4.3 外部存储器使用注意事项

1. 接口配置：正确配置外部存储器接口（如 SPI、I2C、UART）。
2. 时序要求：遵循外部存储器的时序要求，确保数据传输的可靠性。
3. 电源管理：确保外部存储器的电源管理，避免因电源问题导致数据丢失。

8.5 存储器故障诊断

在嵌入式系统开发过程中，存储器故障是常见的问题。以下是一些常用的存储器故障诊断方法：

8.5.1 闪存故障诊断

1. 读写验证：在编程后读取数据，验证是否正确写入。
2. 保护检查：检查闪存保护寄存器的配置，确保保护机制正常。
3. 擦除检查：在擦除后读取数据，确保扇区已清零。

8.5.2 SRAM 故障诊断

1. 初始化检查：确保 SRAM 已正确初始化。
2. 数据一致性：检查 SRAM 中的数据一致性，确保没有意外更改。
3. 堆栈检查：检查堆栈使用情况，确保没有堆栈溢出。

8.5.3 外部存储器故障诊断

1. 通信检查：检查与外部存储器的通信是否正常。
2. 数据校验：使用校验和或 CRC 校验外部存储器的数据完整性。
3. 电源检查：检查外部存储器的电源是否稳定，确保正常工作。

8.6 存储器性能优化

为了提高嵌入式系统的性能，合理优化存储器的使用是必要的。以下是一些存储器性能优化的方法：

8.6.1 闪存性能优化

1. 批量擦除：尽可能批量擦除扇区，减少擦除次数。
2. 预编程：在系统启动时预编程常用数据，减少运行时的编程操作。
3. 代码优化：优化程序代码，减少闪存的访问次数。

8.6.2 SRAM 性能优化

1. 数据缓存：合理使用数据缓存，减少 SRAM 的访问延迟。
2. 堆栈管理：优化堆栈管理，避免频繁的堆栈操作。
3. 内存分配：合理分配内存，避免内存碎片。

8.6.3 外部存储器性能优化

1. 批量传输：尽可能批量传输数据，减少通信次数。
2. 数据压缩：使用数据压缩技术，减少外部存储器的存储需求。
3. 接口选择：选择合适的外部存储器接口，如 SPI、I2C 或 UART，以满足性能需求。

8.7 存储器应用示例

以下是一些存储器应用的示例，展示如何在实际项目中使用闪存和外部存储器。

8.7.1 闪存日志记录

在嵌入式系统中，日志记录是一个常见的功能。闪存可以用于存储日志数据，以便在系统重启或故障时进行调试。以下是一个使用闪存记录日志的示例：

#include "LPC11xx.h"

// 定义日志存储区域的起始地址和大小
#define LOG_START_ADDR 0x0003F000
#define LOG_SIZE 1024

// 定义日志条目结构
typedef struct {
    uint32_t timestamp;
    char message[64];
} LogEntry;

// 日志条目计数器
uint32_t log_counter = 0;

// 闪存编程函数
void flash_program(uint32_t *addr, uint32_t *data, uint32_t len) {
    // 检查地址是否对齐
    if ((uint32_t)addr % 4 != 0) {
        // 地址未对齐
        return;
    }

    // 检查数据长度是否为 4 的倍数
    if (len % 4 != 0) {
        // 数据长度未对齐
        return;
    }

    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 编程数据
    for (uint32_t i = 0; i < len; i += 4) {
        *addr = *data;
        addr++;
        data++;
    }

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

// 闪存扇区擦除函数
void flash_erase_sector(uint32_t sector_addr) {
    // 检查地址是否对齐
    if (sector_addr % 1024 != 0) {
        // 地址未对齐
        return;
    }

    // 启用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 1;

    // 擦除扇区
    LPC_FLASH->FLAR = (1 << 24) | (sector_addr & 0x000FFFFF);

    // 等待擦除完成
    while (LPC_FLASH->FLSR & (1 << 0));

    // 禁用闪存编程模式
    LPC_FLASH->FLMCR = 0;
}

// 记录日志到闪存
void log_to_flash(LogEntry *log_entry) {
    // 计算日志存储的地址
    uint32_t log_addr = LOG_START_ADDR + log_counter * sizeof(LogEntry);

    // 检查是否需要擦除扇区
    if (log_addr % 1024 == 0) {
        flash_erase_sector(log_addr);
    }

    // 编程日志数据
    flash_program((uint32_t *)log_addr, (uint32_t *)log_entry, sizeof(LogEntry));

    // 增加日志计数器
    log_counter++;
}

int main() {
    // 初始化日志条目
    LogEntry log_entry = {
        .timestamp = 123456789,
        .message = "System started"
    };

    // 记录日志
    log_to_flash(&log_entry);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.7.2 外部存储器数据存储

外部存储器可以用于存储大量数据，例如传感器数据、历史记录等。以下是一个使用 SPI 扩展外部闪存存储数据的示例：

#include "LPC11xx.h"
#include "spi.h"

// 定义外部闪存的 SPI 配置
#define SPI_MOSI 0
#define SPI_MISO 1
#define SPI_SCK  2
#define SPI_CS   3

// 初始化 SPI 接口
void spi_init() {
    // 配置 SPI 引脚
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MOSI] = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MOSI] & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MISO] = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_MISO] & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_SCK]  = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_SCK]  & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;
    LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_CS]   = (LPC_SCU->SFSPINSEL[SPI_CS]   & 0xFFFF0FFF) | 0x0000A000;

    // 初始化 SPI 控制器
    LPC_SPI->CR = 0x00000002; // 使能 SPI
    LPC_SPI->DIV = 0x00000004; // 设置时钟分频
    LPC_SPI->TCR = 0x00000001; // 设置数据传输模式
}

// 读取外部闪存数据
uint8_t spi_read(uint8_t addr) {
    // 选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOCLR = (1 << SPI_CS);

    // 发送读取命令
    uint8_t command = 0x03;
    LPC_SPI->DR = command;

    // 等待传输完成
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 发送地址
    LPC_SPI->DR = addr;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 读取数据
    uint8_t data = LPC_SPI->DR;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 取消选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOSET = (1 << SPI_CS);

    return data;
}

// 写入外部闪存数据
void spi_write(uint8_t addr, uint8_t data) {
    // 选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOCLR = (1 << SPI_CS);

    // 发送写入命令
    uint8_t command = 0x02;
    LPC_SPI->DR = command;

    // 等待传输完成
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 发送地址
    LPC_SPI->DR = addr;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 写入数据
    LPC_SPI->DR = data;
    while (!(LPC_SPI->SR & (1 << 5)));

    // 取消选择外部闪存
    LPC_GPIO1->FIOSET = (1 << SPI_CS);
}

// 记录传感器数据到外部存储器
void log_sensor_data(uint8_t addr, uint16_t data) {
    // 写入数据
    spi_write(addr, (uint8_t)(data >> 8));
    spi_write(addr + 1, (uint8_t)(data & 0xFF));
}

int main() {
    // 初始化 SPI 接口
    spi_init();

    // 记录传感器数据
    log_sensor_data(0x00, 0x1234);

    while (1) {
        // 主循环
    }
}

8.7.3 存储器应用总结

通过上述示例，我们可以看到闪存和外部存储器在嵌入式系统中的重要应用。闪存主要用于存储程序代码和关键数据，而外部存储器则可以扩展存储容量，存储大量数据。合理使用这些存储资源，可以提高系统的性能和可靠性。

8.8 存储器管理总结

在嵌入式系统设计中，闪存和存储管理是至关重要的部分。LPC1100 系列单片机提供了丰富的闪存和存储资源，通过合理的配置和使用，可以确保系统的高效运行和数据的安全。以下是一些关键点总结：

1. 闪存结构：了解闪存的扇区结构和大小，合理规划存储空间。
2. 闪存编程与擦除：遵循正确的时序和命令序列进行编程和擦除操作。
3. 闪存保护：启用保护机制，防止意外写入或擦除。
4. 存储器映射：了解存储器映射表，合理使用各个存储区域。
5. 外部存储器扩展：通过外部接口扩展存储容量，满足数据存储需求。
6. 存储器保护机制：使用 MPU 和 EMC 等保护机制，确保系统的安全性和可靠性。
7. 存储器最佳实践：注意闪存、SRAM 和外部存储器的使用注意事项，优化存储器性能。
8. 存储器故障诊断：掌握常用的存储器故障诊断方法，确保系统的正常运行。

通过这些方法和技巧，可以有效地管理和优化 LPC1100 系列单片机的存储资源，提高系统的整体性能和可靠性。