摘要：玩單片機的難免要和內存和屏幕打交道，那就不得不說一下FSMC，掌握了他基本你就知道單片機是如何與他們進行通訊的了。本文較長因此分了兩篇文章來說明，如有不同意見請在評論區留言。

一、概述

STM32控制器芯片內部有一定大小的SRAM及FLASH作為內存和程序存儲空間，但當程序較大，內存和程序空間不足時，就需要在 STM32芯片的外部擴展存儲器了。

擴展內存時一般使用SRAM和SDRAM存儲器，但STM32F407系列的芯片不支持擴展 SDRAM(STM32F429系列支持)，它僅支持使用FSMC外設擴展 SRAM，我們以SRAM為例講解如何為STM32擴展內存。

給STM32芯片擴展內存與給PC擴展內存的原理是一樣的，只是PC上一般以內存條的形式擴展，內存條實質是由多個內存顆粒(即SRAM芯片)組成的通用標準模塊，而STM32直接與SRAM 芯片連接。

二、SRAM的簡介

大家都知道，當電腦運行比較卡的時候，我們可以通過給電腦加裝內存條來改善電腦的性能。那么號稱微型計算機的單片機能不能像電腦一樣加裝內存條呢？裝內存條倒是不行，但是我們可以給單片機外加和內存條效果一樣的SRAM來提升單片機的性能。下面以STM32F407ZGT6單片機來講解一下來擴展外部SRAM。

原理：給STM32芯片擴展內存與給PC擴展內存的原理是一樣的，只是PC上一般以內存條的形式擴展，內存條實質是由多個內存顆粒(即SRAM芯片)組成的通用標準模塊，而STM32直接與SRAM芯片連接。

SRAM，型號IS62WV51216，管腳圖如下：

一種 SRAM 芯片的內部結構框圖

IS62WV51216的管腳總的來說大致分為：電源線、地線、地址線、數據線、片選線、寫使能端、讀使能端和數據掩碼信號線。

數據手冊截圖，原汁原味

什么是數據掩碼信號呢UB#和LB#？

用UB#或LB#線控制數據寬度，例如，當要訪問寬度為16位的數據時，使用行地址線指出地址，然后把UB#和LB#線都設置為低電平，那么 I/O0-I/O15線都有效，它們一起輸出該地址的16位數據(或者接收16位數據到該地址)；當要訪問寬度為 8位的數據時，使用行地址線指出地址，然后把UB#或LB#其中一個設置為低電平，I/O會對應輸出該地址的高8位和低8位數據，因此它們被稱為數據掩碼信號。如果不太明白接著往下看。

因為IS62WV51216是有LB和UB引腳的，可以控制字節的有效性，所以編程操作的時候我們是可以進行任意字節位寬的數據操作的。如果換作其他不支持字節通道訪問的芯片的話，那就需要對齊芯片的數據位寬進行數據操作了。在網上查資料時看到有人問“在操作不同的數據位寬時，FSMC_NBL1，FSMC_NBL0是受什么控制輸出高低電平給UB，LB的？”，這個應該是屬于硬件自動實現的，是FSMC的硬件機制。

從這個圖中我們可以看出IS62WV51216有19根地址線和16根數據線，從這些數據中我們可以分析出IS62WV51216的存儲大小為1M，那么這個1M是怎么分析出來的呢？我們得來說說IS62WV51216的存儲原理。首先，我們來談一談一般的RAM的存儲原理。

CPU編址以字節(8bit)為單位。存儲器編址：以其位寬為單位，也就是說每個存儲器地址下的數據位數為位寬。芯片有19根數據線，那么它的芯片的可尋址空間大小就是2^19=254288=512K，又因為它的數據位寬位16（16根數據線），所以這個芯片的容量位512KB*16bit=8192Kbit=1024KByte=1MByte。

2.1 RAM的存儲原理

RAM是“Random Access Memory”的縮寫，被譯為隨機存儲器。所謂隨機存取，指的是當存儲器中的消息被讀取或寫入時，所需要的時間與這段信息所在的位置無關。根據 RAM的存儲機制，又分為動態隨機存儲器 DRAM(Dynamic RAM)以及靜態隨機存儲器 SRAM(Static RAM)兩種。不管是DRAM還是SRAM他們都是在RAM前面加了一個頭而已。

2.2 靜態隨機存儲器SRAM

靜態隨機存儲器SRAM(Static RAM)顧名思義電路結構不需要定時刷新充電，就能保持狀態(當然，如果斷電了，數據還是會丟失的)，因為不需要定時刷心充電，所以SRAM的存儲單元以鎖存器來存儲數據，這種存儲器被稱為“靜態(Static)”RAM。

2.3 動態隨機存儲器DRAM

而動態隨機存儲器DRAM(Dynamic RAM)顧名思義電路結構是需要定時刷新充電，因為需要定時刷心充電所以DRAM的存儲單元以電容的電荷來表示數據，這種存儲器被稱為“動態(Dynamic)”RAM。

從他們的存儲單元的結構圖我們就知道DRAM的結構比SRAM的結構簡單的多，所以所以生產相同容量的存儲器，DRAM 的成本要更低，且集成度更高。而DRAM中的電容結構則決定了它的存取速度不如SRAM。這種結論是不需要死記硬背的，看結構圖就知道了。

但是我們可能還聽說過SDRAM，我們把它叫做同步動態隨機存儲器SDRAM(Synchronous DRAM)，同步顧名思義就是利用時鐘進行同步的通訊時序，它在時鐘的上升沿表示有效數據。

2.4 SRAM的存儲模型

SRAM 存儲陣列模型

SRAM的存儲模型我們可以用矩陣來說明：

SRAM內部包含的存儲陣列，可以把它理解成一張表格，數據就填在這張表格上。和表格查找一樣，指定一個行地址和列地址，就可以精確地找到目標單元格，這是SRAM芯片尋址的基本原理。這樣的每個單元格被稱為存儲單元，而這樣的表則被稱為存儲矩陣。地址譯碼器把N根地址線轉換成2的N次方根信號線，每根信號線對應一行或一列存儲單元，通過地址線找到具體的存儲單元，實現尋址。如果存儲陣列比較大，地址線會分成行和列地址，或者行、列分時復用同一地址總線，訪問數據尋址時先用地址線傳輸行地址再傳輸列地址。

但是呢？你會發現，這個原理好像不太適用于IS62WV51216，為什么呢？

其實不然，因為我們使用的SRAM比較小(IS62WV51216容量是1MB)，IS62WV51216沒有列地址線。它只有19根行地址線，那么，我們就可以這么來解釋：IS62WV51216有16根數據線，也就是說它的數據寬度為16位，一個行地址也就對應16位，即一個行地址對應 2字節空間。

好，那現在來計算一下IS62WV51216有多少個行地址。2的19次方等于512K，在512K的基礎之上在乘我們之前計算的2字節，不正好是1024K，也就是1M嗎？1M后面的單位是B，即Byte，而不是Bit哦。這樣的話你就會發現IS62WV51216這個名字中本身就包含了大量的信息：IS62WV51216共有512K個行地址，數據寬度為16位，再加以計算就可以得到它的存儲大小為1M啦，有趣吧！另外，該芯片支持兩種不同的高速訪問時間，分別為45ns和55ns，該時間表示進行一次數據讀寫的最短時間要求，本文選擇55ns的模式。

2.5 通信方式

異步通訊，無須時鐘，無須刷新，與STM32F407單片機通過FSMC接口相連。

SRAM的讀寫流程

讀寫時序的流程很類似，下面我們統一解說：

(1) 主機使用地址信號線發出要訪問的存儲器目標地址；

(2) 控制片選信號 CS1#及 CS2#使能存儲器芯片；

(3) 若是要進行讀操作，則控制讀使能信號OE#表示要讀數據，若進行寫操作則控制寫使能信號 WE#表示要寫數據；

(4) 使用掩碼信號LB#與UB#指示要訪問目標地址的高、低字節部分；

(5) 若是讀取過程，存儲器會通過數據線向主機輸出目標數據，若是寫入過程，主要使用數據線向存儲器傳輸目標數據。

在讀寫時序中，有幾個比較重要的時間參數，在使用 STM32 控制的時候需要參考。

IS62WV51216BLL-55ns型號SRAM的時間參數

三、FSMC簡介

FSMC的本質就是內核想要訪問存儲器，但是內核不能生成硬件時序，FSMC外設就幫忙做了這個硬件時序這個事情。有了這個外設我們操作外部SRAM就不需要自己在那里寫讀寫時序了，FSMC就幫我們解決了。怎么解決的？它有各種寄存器結構體啊，直接按照要求配置就可以了。

STM32F407或STM32F417系列芯片都帶有FSMC接口，FSMC，即靈活的靜態存儲控制器，能夠與同步或異步存儲器和16位PC存儲器卡連接，STM32F4的FSMC 接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和 PSRAM 等存儲器。

**注意：FSMC不能驅動如SDRAM 這種動態的存儲器，而在STM32F429系列的控制器中，它具有FMC外設，支持控制 SDRAM 存儲器**。其他我們不用管，從上面我們可以總結的是，STM32雇傭FSMC這個管家來管理我們的IS62WV51216。來來來，我們來看看FSMC的廬山真面目：

FSMC 的框圖如圖所示：

FSMC時鐘來源

FSMC—STM32F4XX參考手冊

FSMC—STM32F4XX參考手冊

蒙了吧！又是這么多信號線，不要怕，我們還是來總結歸納下。我們FSMC控制SRAM為例來說明：通過查看STM32F407xx參考手冊。

外部存儲器接口信號—STM32F4xx參考手冊

上圖打碼的地方是PSRAM偽靜態隨機存儲器的引腳，不需要理會，只需要看SRAM的部分即可。

你會發現居然和SRAM中的線居然高度統一（那是當然喏，我們就是講的FSMC嘛！）

1、FSMC_NBL[1]、FSMC_NBL[0]分別對應于LBn、UBn，有什么用呢？提供數據掩碼信號。貝體是怎么回事昵？還記得前面提到的行地址線嗎？

一根行地址線對應16位的數據，我們可以把16位的數據分為高字節和低字節。當要訪問寬度為16位的數據時，使用行地址線指出地址，然后把UBn(n表示低電平有效)和LBn線都設置為低電平(FSMC_NBL0和 FSMC_NBL為低電平)，那么I/O0-I/O15線(FSMC_D0到 FSMC_D15)都有效，它們一起輸出該地址的16位數據(或者接收16位數據到該地址)；當要訪問寬度為8位的數據時，使用行地址線指出地址，然后把UBn(FSMC_NBL0)設置為低電平，I/O0-I/O15(FSMC_D8到 FSMC_D15)會對應輸出該地址的高8位，l/O0-I/O7的信號無效(或者把LBn(FSMC_NBL1)設置為低電平，I/O0-/O7(FSMC_D0到SMCD7)會對應輸出該地址的低8位，I/O8-/I/O15的信號無效。這樣是不是有部分信號沒有用呢？好像被掩蓋了。因此它們被稱為數據掩碼信號。

要注意的是FSMC_NBL[1]、FSMC_NBL[0]分別對應于LBn、UBn，這兩個引腳的電平不是我們用程序控制的，如果用程序控制就太麻煩了，這兩個引腳應該是FSMC的內部硬件機制完成的，不需要我們人為操作。

2、FSMC_NE[1：4]是個很有趣的東西，它決定了FSMC可以控制多個存儲器。這里就要提及FSMC的地址映射啦！

FSMC存儲區域—STM32F4XX參考手冊

首先，有一點我們必須明白，對于32位的STM32單片機來說，它能夠管理的地址大小為4GB，而STM32將4GB的地址空間中的0X60000到0X9FFFF共1GB的空間分給外部內存，所以這1GB的空間就成了我們的小天地，供我們自由玩耍。

STM32F407數據手冊英文版—MemoryMap

野火407手冊

STM32F417數據手冊—中文版

然后強勢的FSMC就接管了這1GB的空間，FSMC將圖中的1GB大小的外部RAM存儲區域分成了4個Bank區域，每個Bank對應于STM32內部尋址空間的不同地址范圍。

那么為什么要分為不同的Bank區域呢？

因為不同的Bank可以來管理不同的外部存儲設備，比如NOR_Flash及SRAM存儲器只能使用Bank1的地址，NAND_Flash存儲器只能使用Bank2和Bank3的地址等。

細心的你肯定還會發現，每個Bank中居然還有4x64MB這種文宇，這是什么意思呢？

FSMC存儲區域—STM32F4XX參考手冊

Bank內部的256MB空間又被分成4個小塊，每塊64M，各自有相應的控制引腳用于連接片選信號。FSMC_NE[4:1]信號線就分別對應圖中的 FSMC bank1 NOR/PSRAM4到FSMC bank1 NOR/PSRAM1。當STM32訪問0×6800000—0x6BFFF址空間時，會訪問到Bank1的第3小塊區域：FSMC bank1 NOR/PSRAM3，相應的FSMC_NE3信號線會輸出控制信號(即片選信號)，如果這個時候FSMC_NE3處剛好接上IS62WV51216的CS端，那么IS62WV51216就可以任由我們擺布啦。因此，對于你使IS62WV51216來說，一定要注意你的CS端是接的FSMC的哪個FSMC_NE端，這決定你在程序訪問哪個地址范圍。

STM32F4 的 FSMC 存儲塊 1（Bank1）被分為 4 個區，每個區管理64M 字節空間，每個區都有獨立的寄存器對所連接的存儲器進行配置。Bank1 的 256M 字節空間由28根地址線(HADDR[27:0])尋址。

為什么是28根地址線？因為2^28=268435456B=262144KB=256MB，正好管理這Bank1的256M 字節空間。

當Bank1接的是16位寬度存儲器的時候：HADDR[25:1]→FSMC_A[24:0]。當Bank1接的是8位寬度存儲器的時候：HADDR[25:0]→ FSMC_A[25:0]。不論外部接8位/16位寬設備，FSMC_A0永遠接在外部設備地址A[0]。

這里感覺很不好理解，簡單地分析如下：

對于16位SRAM，FSMC地址線要向右移一位（非常重要）。

以0x6800 0000這個地址為例，它分解成二進制是0110 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，由于一個BANK是64M的地址空間，而2^25=64M，故0x6800 0000的位[25:0]是FSMC向外部SRAM傳遞的真實地址，對于0x6800 0000，FSMC向外部SRAM發的地址是位[25:0],即00 0000 0000 0000 0000 0000 0000，這很好理解。

同理，對于0x6800 0002，FSMC向外部SRAM發送的地址是00 00000000 0000 0000 0000 0010。若FSMC不自動右移一位，這個地址明顯發錯了，因為期望讀取的SRAM地址為0x0000 0001中的數據。

為了解決這一問題，當在初始化FSMC時，若選擇外部SRAM為16位，則FSMC在向外部SRAM發地址時，會自動右移一位，例如剛才的0x6800 0002，FSMC在向外部發SRAM地址時，00 0000 0000 0000 0000 0000 0010會自動右移一位，變成00 0000 00000000 0000 0000 0001，即0x0000 0001，該地址正好是期望的外部SRAM地址。接著，外部SRAM從地址為0x0000 0001中取出16位數據傳送給FSMC，由FSMC將這個16位數據保存在以映射地址0x6800 0002起始的兩個8位存儲單元中。

地址映射如下：

這樣的話，當16位數據寬度時，地址的問題解決了，還有一個問題，是往高字節寫入還是低字節寫入呢？

這也就是NBL0和NBL1的作用了，如果你要進行字節操作 ：如stm32發送地址0x0001讀取一個字節。右移一位對應的是sram地址0x0000處的16位數據， FSMC會根據A0（最后一根地址線）來控制NBL0和NBL1。當A0 = 1時，讀取高字節數據（僅NBL1有效）；A0 = 0時，讀取低字節數據僅NBL0有效），當進行16位讀寫時，NBL0和NBL1都有效。

經過了上面的分析，再來重新觀察數據的寫入過程：

當地址為0x6800 ?0000，會訪問到SRAM的第0個16位地址，而此時A0 = 0（低字節有效），實際會訪問的是16位 0地址的低字節；當地址為0x6800 ?0001時，A0 = 1，訪問16位 0地址的高字節。依次。

因此，想讓地址線的最后一位產生0或1，應該在前一位做出改變（stm32會自動右移）：

我們的SRAM芯片使用的是Bank1 的第三個區，即使用FSMC_NE3來連接外部設備的時候，即對應了HADDR[27:26]=10（這是內部硬件配置，不需要我們管），我們要做的就是配置對應第3區的寄存器組，來適應外部設備即可。

STM32F4的FSMC各Bank配置寄存器如下表

STM32的FSMC存儲塊1支持的異步突發訪問模式包括：模式1、模式A~D等多種時序模型，驅動SRAM時一般使用模式1或者模式A，這里我們使用模式A來驅動SRAM用，其他模式說明詳見：STM32中文參考手冊-FSMC章節。

FSMC外設支持輸出多種不同的時序以便于控制不同的存儲器，它具有 ABCD 四種模式，下面我們僅針對控制 SRAM 使用的模式 A進行講解。

模式A讀時序

模式A寫時序

對于NOR FLASH/PSRAM(包括SRAM)控制器（存儲塊1），通過FSMC_BCRX、FSMC_BTRX和FSMCBWTRx寄存器設置（其中x=1～4，對應4個區）。由于我們硬件是把blank的第三個區給外部SRAM使用，所以對于SRAM芯片的片選引腳為FSMC_NE3。所以就要配置FSMC_BCR3、FSMC_BTR3和FSMCBWTR3這3個寄存器。正點原子F407板子的SRAM的片選引腳是FSMC_NE3，LCD顯存芯片的片選引腳是FSMC_NE4。

原子的F407的SRAM是blank NE3 LCD是blank NE3

四、SRAM的FSMC寄存器配置

4.1 SRAM/NOR-Flash片選控制寄存器

EXTMOD：擴展模式使能位，控制是否允許讀寫不同的時序，需設置為1。

WREN：寫使能位。我們需要向SRAM寫數據，故該位必須設置為1。

MWID[1：0]：存儲器數據總線寬度。00，表示8位數據模式；01表示16位數據模式；10和11保留。我們的SRAM是16位數據線，所以設置WMID[1：0]=01。

MTYP[1：0]：存儲器類型。00表示SRAM、ROM；01表示PSRAM；10表示NOR FLASH；11保留。我們使用SRAM，所以需要設置MTYP[1：0]=00。

MBKEN：存儲塊使能位。需設置為1。

STM32F4XX中文參考手冊

4.2 SRAM/NOR-Flash片選時序寄存器

ACCMOD[1：0]：訪問模式。00：模式A；01：模式B；10：模式C；11：模式D。

DATAST[7：0]：數據保持時間，等于：DATAST個HCLK時鐘周期，DATAST最大為255。對STM32F1，一個HCLK=13.8ns（1/72M），設置為15；對STM32F4，一個HCLK=6ns（1/168M），設置為60。

ADDSET[3：0]：地址建立時間。表示：ADDSET個HCLK周期，ADDSET最大為15。STM32F1的FSMC性能存在問題，即便設置為0，RD也有190ns的高電平，我們這里設置為1。而對STM32F4，則設置為15。

4.3 SRAM/NOR-Flash寫入時序寄存器

ACCMOD[1：0]：訪問模式。00：模式A；01：模式B；10：模式C；11：模式D。

DATASTI7：01：數據保持時間，等于：DATAST個HCLK時鐘周期，DATAST最大為255。對ILI9341來說，其實就是WR低電平持續時間，為15ns，不過ILI9320等則需要50ns。考慮兼容性，對STM32F1，一個HCLK=13.8ns（1/72M），設置為3；對STM32F4，一個HCLK=6ns（1/168M），設置為9。

ADDSET[3：0]：地址建立時間。表示：ADDSET個HCLK周期，ADDSET最大為15。對lL19341來說，這里相當于WR高電平持續時間，為15ns。同樣考慮兼容IL19320，對STM32F1，這里即便設置為1，WR也有100ns的高電平，我們這里設置為1。而對STM32F4，則設置為8。

在MDK的寄存器定義里面，并沒有定義FSMC_BCRx、FSMC_BTRx、FSMC_BWTRx等這個單獨的寄存器，而是將他們進行了一些組合。

FSMC_BCRx和FSMC_BTRx，組合成BTCR[8]寄存器組，他們的對應關系如下：

BTCR[0] 對應 FSMC_BCR1，BTCR[1] 對應 FSMC_BTR1BTCR[2] 對應 FSMC_BCR2，BTCR[3] 對應 FSMC_BTR2BTCR[4] 對應 FSMC_BCR3，BTCR[5] 對應 FSMC_BTR3BTCR[6] 對應 FSMC_BCR4，BTCR[7] 對應 FSMC_BTR4

FSMC_BWTRx則組合成BWTR[7]，他們的對應關系如下：

BWTR[0]對應 FSMC_BWTR1，BWTR[2]對應 FSMC_BWTR2，BWTR[4]對應 FSMC_BWTR3，BWTR[6]對應 FSMC_BWTR4，BWTR[1]、BWTR[3]和 BWTR[5]保留，沒有用到。

本篇到此結束，下一篇將講解FSMC的先關代碼，并使用STM32CubeMX進行配置。

審核編輯：劉清