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单片机内部结构基础知识 FLASH相关解读

news 2025/6/7 6:09:04

一、总线简单说明

地址总线、控制总线、数据总线

什么是8位8051框架结构的微控制器？
数据总线宽度为8位，即CPU一次处理或传输的数据量为8位（1字节）
同时还有一个16位的地址总线，这个地方也刚好对应了为什么能看到内存地址是0000H-03FFH这种字眼。这里就是跟直接寻址内容等强相关，就是说CPU的能力是16位，这个地方就跟内存空间息息相关，因为我们如果想内存大，就不得不扩大我们的内存，而扩大我们的内存就意味着增加了CPU的地址总线访问能力，目前常见的如48位→256TB内存支持。所以嵌入式一般的地址总线并不是很大。
此外需要说明的是不管是0000H(16位)还是FFFFFFFFH(32位)他能存储的数据就是一个字节，之所以这么长，目的只是为了提升存储空间。

这个怎么计算呐?
例如0000H-FFFFH,为什么表示64KB，一个地址可以存储一共表示65536个字节，字节称为Byte（1个字节包含8位，bit）。
65536B = 64KB
那数据总线表示的是可以同时取多少个字节（一个地址存储一个字节，如果是16位数据总线，那么就可以同时取出2个字节，也就是需要同时读出两个地址里面存储的数据，不然怎么实现读出16位数据。这个地方和地址总线大小无关，但是如何执行这些操作肯定是有关系的，那就是后话。）。常用的处理器32位，64位，显卡可能是128位。
如果具有40位数据总线，那么本身是32位处理器，那么相当于是一次能读取4个字节的数据才能最大限度发挥该性能，那么相当于是需要找到四个地址（并不是同时读取这四个地址，毕竟如果同时读取就需要160位，不符合逻辑。这个里面应该是流水线结构。）。

二、单片机内部内存空间理解

◆ 最大 64KB 的 FLASH 程序存储器（APROM 区）。

◆ 最大 1KB 的非易失性数据存储器（Data FLASH）。

◆ 最大 256B 的通用内部数据存储器（RAM）。

◆ 最大 4KB 的通用外部数据存储器（XRAM）。

◆ 特殊功能寄存器 SFR。

◆ 外部特殊功能寄存器 XSFR。

2.1 程序储存器 FLASH

以51单片机为例：
程序存储器 FLASH 用来存放源程序和表格数据，且以程序计数器 PC 作地址指针。PC 为 16 位程序计数器，因此可以寻址
到的地址空间为 64KB，此芯片有 64K bytes 程序存储空间。具体空间是：0000H-FFFFH

芯片复位后，CPU 从 0000H 开始执行。每个中断在程序存储器中都分配有固定的地址，中断使 CPU 跳到该地址开始执行
服务程序。例如外部中断 1，被分配地址为 0013H，如果使用外部中断 1，它的服务程序必须从 0013H 位置开始。如果没有用到该中断，其服务地址作为普通程序存储地址使用。

Flash存储器在正常存储状态下断电不会丢失数据​（非易失性特性），但在写入或擦除操作过程中突然断电可能导致数据损坏或丢失。

引入一个问题：
那地址0013H存储的程序是中断服务程序吗

1. ​0013H的本质是中断向量入口（非完整服务程序）​​

  • ​固定入口地址​：在8051单片机中，外部中断1（INT1）的中断向量被硬件固定分配在0013H地址
    这是CPU响应中断时自动跳转的目标地址。
  • ​空间限制​：0013H至001BH之间仅有8字节空间（0013H~001AH），不足以存放完整的中断服务程序（ISR） 若强行在此写入长代码，会覆盖后续中断入口（如定时器1中断入口001BH）

2. ​0013H通常存储跳转指令（AJMP/LJMP）​​

  • ​跳转设计​：因此芯片原厂需在0013H处放置无条件跳转指令​（如AJMP或LJMP），将程序流导向实际的中断服务程序地址

    ORG 0013H     ; 外部中断1入口
AJMP INT1_ISR ; 跳转到实际ISR

  • ​实际ISR位置​：中断服务程序通常存放在程序存储器的其他空闲区域​（如0100H之后），避免占用中断向量区。

3. ​未使用中断时，0013H可作为普通程序空间​

  • ​灵活性设计​：若系统未启用外部中断1，0013H地址可自由存储其他程序代码或数据​（如初始化代码、常量表）
  • ​注意事项​：若后续启用该中断，必须确保0013H处已覆盖为正确的跳转指令，否则CPU可能执行无效代码导致崩溃。

4. ​中断响应的完整流程​

  • ​触发中断​：INT1引脚有效 → CPU检测中断标志 → ​自动加载0013H到PC。
  • ​执行跳转​：CPU从0013H读取跳转指令 → ​跳转至实际ISR地址​ → 执行中断处理逻辑。
  • ​返回主程序​：ISR结尾执行RETI指令 → 恢复断点地址，继续主程序。

简单理解一下：
这个地方也就解决了，我之前的一个疑问，就是为什么执行完中断以后，还能回到原来的地方，里面的数据等不会改变，因为CPU执行程序，都是和内存进行交互，一切基于地址，此时在执行其他地址上面的程序，那原本的就不执行了，然后再使用一个跳转执行，恢复到断点地址，继续执行程序。这个里面涉及到保护现场等知识，先不进一步理解。

关于Flash引入另外一个问题
Flash是非易失性数据区域，那么我们在写入EEPROM的时候，是否能写入Flash？
​EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）不会直接写入Flash存储器。

一、EEPROM与Flash的物理隔离性

  1. ​独立的存储单元结构​

    • ​EEPROM​：通过浮栅晶体管实现按字节擦写，每个存储单元可独立修改电荷状态，无需整块擦除

    • ​Flash​：采用更简化的晶体管结构，​必须按扇区（Block）擦除​（如4KB~128KB），擦除后整块区域变为全1（0xFF）才能写入新数据

    • ​物理隔离​：在芯片设计中，EEPROM和Flash通常是独立的物理模块，通过不同总线地址访问（如EEPROM映射到数据存储区，Flash映射到程序存储区）

  2. ​不同的控制器逻辑​

    • EEPROM控制器支持直接覆盖写入​（如写入0x55到地址0x20，旧数据自动擦除）

    • Flash控制器需先发送擦除命令，再执行写入操作，无法跳过擦除步骤。

二、EEPROM的写入机制

  1. ​直接电荷注入​
    EEPROM通过隧道效应（Fowler-Nordheim Tunneling）​​ 直接修改目标字节的浮栅电荷：

    • 写入0：向浮栅注入电子，提高阈值电压。
    • 写入1：抽出电子，降低阈值电压
      无需整块擦除​：此过程仅影响目标单元，相邻数据保持不变。

  2. ​内部电荷泵支持​
    即使外部电压为3.3V/5V，EEPROM内置电荷泵可生成高压（12V20V），实现单字节操作

三、Flash的写入限制

  1. ​==只能写0，不能直接写1​==
    Flash的存储单元特性决定：
    • ​写操作​：仅能将1变为0（通过热电子注入）。
    • ​擦除操作​：通过强电场释放浮栅电荷，将整块数据恢复为全1（0xFF）
      若未擦除直接写入，原有0无法变为1，导致数据错误。
  2. ​擦除粒度大​
    擦除最小单位为扇区（如STM32的Flash扇区为1KB~128KB），即使只修改1字节，也需重写整个扇区。
特性​​EEPROM​​Flash​
​最小擦除单位​字节（Byte）扇区（Block，4KB~128KB）
​写入机制​直接覆盖旧数据必须先擦除整块再写入
​写入速度​较慢（ms/字节）较快（擦除后批量写入）
​寿命​10⁶次擦写10⁴~10⁵次擦写
​典型应用​参数配置（如校准值）程序代码、大容量数据存储

EEPROM映射到数据存储区，Flash映射到程序存储区

​EEPROM的写入操作仅作用于自身物理单元，不会影响Flash存储区。两者在硬件层面完全独立，不存在交叉写入的可能性。若需在Flash中存储数据，必须通过专用Flash控制器执行擦除和写入流程。

2.2 非易失性数据存储器 Data FLASH

非易失性数据存储器 Data FLASH 可用于存放常量数据、校准数据、防护安全相关信息等重要数据。存储在该区域的数据具有在芯片断电或者突然性、意外性断电时，数据不会丢失的特性。

Data FLASH 存储器的读、写、擦除操作通过 FLASH 控制接口实现。

为什么需要Data Flash？​​

​1. 解决Code Flash的局限性​
  • ​擦写寿命瓶颈​：Code Flash擦写次数有限（约1万次），频繁写入会缩短寿命。Data Flash通过优化存储单元结构（如NAND型）和磨损均衡算法，支持更高擦写次数（10万次+）。
  • ​写入效率优化​：Code Flash需整块擦除才能写入，操作耗时（如STM32擦除1KB需40ms）。Data Flash支持页写入（如512B），减少无效擦除。
​2. 满足数据存储的特定需求​
  • ​动态数据管理​：系统运行中产生的参数（如温度校准值）、事件日志需频繁更新，Data Flash提供专用空间避免干扰代码区。
  • ​高密度低成本存储​：Data Flash采用NAND结构，单元密度高（如QLC每单元4bit），成本仅为NOR Flash的1/10，适合大数据存储（如音频、图像）。
​3. 系统安全性与可靠性​
  • ​隔离代码与数据​：Code Flash写错误可能导致程序崩溃。Data Flash独立操作，通过ECC校验和坏块管理提升数据完整性。
  • ​掉电保护机制​：Data Flash设计支持紧急数据保存（如电容缓冲+CRC校验），在断电前完成关键数据存储。
​4. 扩展性与灵活性​
  • ​接口简化​：SPI/I²C接口的Data Flash减少引脚占用（仅4~6线），适合空间受限的便携设备（如智能手表）。
  • ​标准化封装​：eMMC、SD卡等Data Flash模块可热插拔，便于存储扩展（如工业相机更换存储卡）。
5.典型应用场景​
  • ​Code Flash​：
    ✅ 单片机启动代码（STM32的0x0800_0000）
    ✅ 实时操作系统内核（如FreeRTOS）
  • ​Data Flash​：
    ✅ 用户配置保存（如Wi-Fi密码）
    ✅ 黑匣子日志（汽车ECU事件记录）
    ✅ 固件升级缓存（OTA下载包临时存储）
6.​使用注意事项​
  1. ​避免混用区域​：
    Code Flash写错误会导致程序崩溃，Data Flash需严格通过控制器访问（如STM32的HAL_FLASH_Program()）。
  2. ​磨损均衡必需​：
    高频写入时需动态分配物理地址（如日志结构写入），延长Data Flash寿命。
  3. ​掉电保护设计​：
    搭配硬件PVD检测（电压阈值触发中断）和软件原子操作，确保数据完整性

在嵌入式系统中，程序运行时的临时数据通常不会直接存储在Flash中，而是存储在RAM（随机存取存储器）中。Flash主要用于存储程序代码和需要长期保存的非易失性数据（如配置参数），而RAM负责存储运行时的变量、堆栈和动态内存数据。

Flash存储器的物理结构中，“页”和“扇区”是不同层级的操作单元

包含层级​
​==页（Page）​​ 是Flash的最小写入单位，通常为256字节​（如W25Q系列）。==

​扇区（Sector）​​ 是Flash的最小擦除单位，通常为4KB​（即16页 × 256字节）。

​块（Block）​​ 是更高层级单位，通常包含多个扇区（如16扇区=64KB）。

以中微CMS80F761X为例

FLASH 存储器包含程序存储器（APROM）与非易失数据存储器（Data FLASH）。程序存储器空间最大为 64KB，分为 128个扇区，每个扇区包含 512B。数据存储器空间最大为 1KB，分为 2 个扇区，每个扇区包含 512B。
==页（Page）​​ 是Flash的最小写入单位，通常为256B​
​扇区（Sector）​​ 是Flash的最小擦除单位，通常为512B​

Flash 存储器擦除操作仅支持扇区擦除，不支持字节擦除。在修改某个地址的数据之前，建议先将其他数据保存后，再擦除当前扇区，最后进行数据写入操作。

第一部分：连续写入等待Flash操作完成for(i = 0 ;i< 256 ;i++)		//连续256 bytes的写等待Flash执行完成{			FLASH_Write(FLASH_CODE,0xEFFF, 0xFF); //写地址使用最后的地址(任意地址都可以，建议用使用较少的地址)}

  • 强制等待Flash内部操作​

    • Flash写入后需等待内部电荷泵操作完成（通常需数µs至ms级时间）。循环256次写入0xFF到固定地址（如0xEFFF），实质是通过重复写入触发Flash控制器状态检测，确保每次写入后Flash完成内部操作 。
    • 为何选择0xFF？
      0xFF是擦除后的默认值（全1状态），写入0xFF ​不会改变原有数据​（Flash只能将1→0，不能0→1），因此是安全的“空操作” 。

  • ​地址选择的逻辑​

    • 使用固定地址（如0xEFFF）是为了避免跨页风险。Flash写入受页限制（通常256字节/页），若写入跨越页边界会导致数据回绕错误。末尾地址通常未被程序占用，适合测试 。

  • ​替代状态寄存器查询​

    • 部分低端MCU无状态寄存器，需通过写入操作间接同步。但此方法效率低​（256次写入耗时≈256ms），且加速Flash磨损​（寿命约10⁴次）
第二部分：数据写入与验证for(addr = 0x1000 ;addr< 0x1010 ;addr++){			FLASH_Write(FLASH_CODE,addr, Dtemp++);			temp = FLASH_Read(FLASH_CODE,addr);		}

  • 递增数据写入（Dtemp++）​​

    • 在地址0x1000至0x100F（共16字节）写入连续递增的字节数据（如0x01, 0x02…）

    • ​关键前提​：目标区域必须已擦除（全为0xFF），否则写入会失败（如尝试将0x00改为0x01）

  • ​即时读取验证​

    • 每次写入后立即读取相同地址数据，比对temp与Dtemp是否一致，用于检测写入是否正确或Flash物理损坏​

  • ​地址范围选择​

    • 0x1000通常是用户数据区起始地址（避开代码区），长度16字节适合小数据测试（如配置参数）

在写入数据的时候，
Flash允许单次写入的数据量小于页大小（256字节），但写入地址必须在同一页内且不跨页边界

  • 写入前​：目标区域必须为全1（0xFF），否则无法正确写入（未擦除区域写入非0xFF数据会导致数据错误）

  • ​写入后​：若需修改已写入的数据（如将0x00改为0x01），必须先擦除整个扇区

一般情况要从其实地址开始写入

但是写入的少的时候，不一定非要是起始地址，只需要再规定的地址写就行了。

数据截断规则​
编译器或硬件会自动丢弃高 8 位，保留低 8 位：

擦除函数


void FLASH_Erase(uint8_t FLASHModule, uint16_t Addr)
{MADRL = Addr;MADRH = Addr>>8;if(1==EA)			{EA=0;		MCTRL  = FLASH_ERASE | FLASHModule;	//操作FLASH期间不允许被打断_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();	while(MCTRL & 0x01);EA=1;}else{MCTRL  = FLASH_ERASE | FLASHModule;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();			while(MCTRL & 0x01);}
}

其中MCTRL就是操作，看数据手册，关于寄存器的描述，一定要看关于数据手册的描述，不然就会走到误区，容易走弯路。如
![[Pasted image 20250606163812.png]]

在硬件层面，会自动执行相关操作，
这个函数的Addr，说白了就是为了定位扇区，然后进行擦除。
不然怎么进行扇区擦除。硬件自动的执行一些操作。这就又设计到芯片原厂的操作了。至于为什么，那就暂时就理解到这里。

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