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痞子衡嵌入式：恩智浦經典LPC系列MCU內部Flash IAP驅動入門

2023-03-30 06:01:28

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是恩智浦經典LPC系列MCU內部Flash IAP驅動。

　　LPC 系列 MCU 是恩智浦公司於 2003 年開始推出的非常具有代表性的產品，距今已經有近 20 年的生命。按時間線演進來說，其主要分為三代：

- 元老：基於 ARM7/9 核心的 LPC2000/3000 系列
- 中堅：基於 Cortex-M0/0+/3/4 核心的 LPC800/1100/1200/1300/1500/1700/1800/4000/4300/54000
- 新銳：基於 Cortex-M33 核心的 LPC5500 系列。

　　其中堅產品即是痞子衡今天要重點聊的經典 MCU，從其第一顆 LPC1800 到至今仍有新型號出來的 LPC800，仍然深受廣大開發者喜愛。今天痞子衡想討論的是內部 Flash 驅動這個對嵌入式軟體開發者來說既冷門又不冷門的話題：

  • Note：本文內容主要以 LPC845 這個型號為例，未必完全適用其它經典 LPC 型號，具體需要檢視相應手冊。

一、關於MCU內部Flash的基本概念

　　痞子衡先解釋下為什麼內部 Flash 驅動這個話題既冷門又不冷門。說它冷門是因為大部分嵌入式軟體開發工程師寫的應用程式碼裡很少包含 Flash 操作功能（除非應用需要 OTA 升級或者斷電儲存引數），因此對 Flash 模組的關注度不如其它外設模組。說它不冷門則是在 IDE 中偵錯或者程式設計器做量產又離不開 Flash 操作，所以避不可免地關注 Flash 擦寫演演算法、效能、壽命、效率等。

　　話說回來，Flash 外設一般由兩部分組成：Flash 控制器 + Flash Memory 媒介，其 Memory 媒介部分從原理上屬於並行 NOR Flash，MCU 上電 Flash 外設總是使能的，可以通過 AHB 匯流排直接讀取其對映空間內任意 Flash 地址處的資料/指令，所以其最主要的作用就是儲存可執行程式碼。

　　如果應用程式需要做 OTA 升級，則需要藉助 Flash 控制器完成擦除和寫入操作。這裡就有一些概念性的東西出現了，比如 Flash 擦除正常是按 Block/Sector 為單元（不排除有些支援按 Page 擦除），並且擦除操作是將 Block/Sector 裡全部 bit 從 0 恢復為 1。而 Flash 寫入則是按 PUnit 為最小單元的（可能是 1/2/4/8 bytes），一次性最多寫入一個 Page 的資料（這裡指一次完整命令執行等待過程）。擦除和寫入操作都不是立刻就完成的，需要等待 Memory 媒介更新完成（讀 Flash 控制器相應狀態位暫存器）。

　　LPC845 內部 Flash 一共 64KB，劃分為 64 個 Sector，每個 Sector 大小為 1KB。每個 Sector 包含 16 個 Page，每個 Page 大小為 64Bytes。支援按 Sector/Page 擦除，IAP 僅支援按 Page 寫入（但是控制器底層最小寫入單元是 4bytes），不支援 RWW 特性。

    64KB          N/A            N/A           1KB          64Bytes       4Bytes
Flash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector > Flash Page >= Flash PUnit >= Flash Byte
                   |              |             |              |             |
                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元

　　關於 Flash 擦寫操作，還有一個重要概念叫 Read-While-Write（簡稱 RWW），因為預設程式碼是執行在 Flash 裡，如果我們這個時候還做 Flash 擦寫操作，就會讓同一個 Flash 處於又做擦寫處理同時也要響應 AHB 匯流排來的讀指令請求，大部分 Flash 是無法支援這個特性的，因此常見的操作是將觸發 Flash 擦寫命令以及讀 Flash 狀態的程式碼重定向到 RAM 裡去執行。而 LPC 上不一樣的 Flash IAP 驅動設計正是為了解決這個 RWW 限制的。

二、一般Flash驅動設計

　　在講 LPC Flash IAP 特色驅動之前，我們先來看看一般 MCU 上 Flash 驅動設計，就以恩智浦 Kinetis MK60DN512Z 系列為例。它的 Flash 外設是 FTFL （詳見參考手冊裡 Chapter 28 Flash Memory Module (FTFL) 章節），Flash 大小為 512KB，分為兩個 256KB Block (這裡就相當於Bank)，支援 RWW 特性（以 Block 為單元）。每個 Block 包含 128 個 Sector，每個 Sector 大小為 2KB。它其實沒有明確的 Page 概念（但是最大寫入單元是專用 4KB FLEXRAM 的一半，可以理解為 Page 大小就是 2KB），支援的最小寫入單元是 4bytes。

   512KB         256KB          256KB          2KB            2KB         4Bytes
Flash Memory > Flash Bank >= Flash Block > Flash Sector >= Flash Page > Flash PUnit >= Flash Byte
                   |              |             |              |             |
                RWW單元        擦除單元        擦除單元      最大寫入單元    最小寫入單元

　　在官方驅動 \SDK_2_2_0_TWR-K60D100M\devices\MK60D10\drivers\fsl_flash.c 裡我們重點關注如下 5 個基本函數，這些函數都是直接操作 FTFL 外設暫存器來完成相應 Flash 擦寫功能的。其中 flash_command_sequence() 內部函數設計是核心，每一個 API 基本都會呼叫它，這裡面有一個關於解決 RWW 限制的黑科技設計，後面痞子衡會寫文章專門介紹。

// 一般初始化函數，主要是軟體層面初始化
status_t FLASH_Init(flash_config_t *config);
// 為了解決 RWW 限制而特殊設計的命令觸發執行函數
status_t FLASH_PrepareExecuteInRamFunctions(flash_config_t *config);
static status_t flash_command_sequence(flash_config_t *config)
// 擦除函數，長度不限(需要按 Sector 對齊)，key 引數是為了降低誤擦除風險
status_t FLASH_Erase(flash_config_t *config, uint32_t start, uint32_t lengthInBytes, uint32_t key);
// 寫入函數，長度不限(僅最小寫入單元對齊限制)，函數內部自動結合 Page 和 PUnit 寫入命令做處理
status_t FLASH_Program(flash_config_t *config, uint32_t start, uint32_t *src, uint32_t lengthInBytes);

三、LPC Flash IAP驅動設計原理

　　終於來到本文核心 - LPC Flash IAP 驅動了。按照我們一般經驗，首先是翻看 LPC845 使用者手冊尋找 Flash 外設，但是很遺憾，使用者手冊裡並沒有 Flash 外設詳細介紹，取而代之的是 Chapter 5: LPC84x ISP and IAP 章節。因為 LPC 全系列都包含 BootROM（對映地址為 0x0F00_0000 - 0x0F00_3FFF），而 BootROM 程式碼裡包含了 Flash 擦寫驅動，因此官方直接推薦使用者呼叫 ROM 裡的 Flash 驅動 API 來完成操作，而不是按照傳統方式提供直接操作 Flash 外設暫存器的 SDK 原始碼。

　　BootROM 提供的 API 不止 Flash IAP 一個，可以在 Boot Process 章節裡如下圖裡找到全部 API。這裡我們可以看到 Flash IAP 函數的統一入口地址是 0x0F001FF1，這在 SDK 裡 LPC845_features.h 檔案裡有如下專門宏：

/* @brief Pointer to ROM IAP entry functions */
#define FSL_FEATURE_SYSCON_IAP_ENTRY_LOCATION (0x0F001FF1)

　　有了 IAP 入口地址，呼叫起來就簡單了，晶片使用者手冊裡直接給了參考 C 程式碼，可以看到 API 設計上將全部支援的 13 個函數集中在一起了，複用了輸入參數列 command_param 和輸出結果列表 status_result。痞子衡之前寫過一篇 《二代 Kinetis 上的 Flash IAP 設計》，那個 API 介面設計更偏向現代嵌入式軟體開發者的習慣，而 LPC Flash IAP 介面設計是 2008 年推出來的，那時候看是超前時代。

unsigned int command_param[5];
unsigned int status_result[5];

typedef void (*IAP)(unsigned int [],unsigned int[]);
#define IAP_LOCATION *(volatile unsigned int *)(0x0F001FF1)
IAP iap_entry=(IAP) IAP_LOCATION;

iap_entry (command_param,status_result);

四、LPC Flash IAP驅動快速上手

　　最後看一下官方驅動 \SDK_2_13_0_LPCXpresso845MAX\devices\LPC845\drivers\fsl_iap.c ，這相當於將 Flash IAP 做了二次封裝，我們重點關注如下 6 個基本函數。其中 iap_entry() 最終呼叫的是 ROM 中程式碼，直接執行在 ROM 區域，不會和 Flash 存取衝突，天然沒有 RWW 限制問題。

　　擦除函數 IAP_ErasePage()/IAP_EraseSector() 沒什麼好說的，就是這個寫入函數 IAP_CopyRamToFlash() 命名有點繞，不符合一般習慣，然後需要特別注意的是寫入長度 numOfBytes 必須是 Page 倍數，且不能超過一個 Sector 大小（但是實測可以橫跨兩個 Sector 一次性寫入多個 Page 資料，所以這僅僅是軟體程式碼人為規定，不是 Flash 控制器限制）。最後還有一個注意點就是擦寫操作都是所謂的 two step process，就是需要先呼叫一下 IAP_PrepareSectorForWrite() 函數才行，這個設計其實是為了降低程式跑飛出現誤擦寫的風險。

// 一般初始化函數，主要是設定 Flash 存取時間
void IAP_ConfigAccessFlashTime(uint32_t accessTime);
// 進入 ROM IAP 的入口函數
static inline void iap_entry(uint32_t *cmd_param, uint32_t *status_result);
// 擦除和寫入前準備函數
status_t IAP_PrepareSectorForWrite(uint32_t startSector, uint32_t endSector);
// 擦除函數，按 Page/Sector 為單位
status_t IAP_ErasePage(uint32_t startPage, uint32_t endPage, uint32_t systemCoreClock);
status_t IAP_EraseSector(uint32_t startSector, uint32_t endSector, uint32_t systemCoreClock);
// 寫入函數，長度最大限定為一個 Sector
status_t IAP_CopyRamToFlash(uint32_t dstAddr, uint32_t *srcAddr, uint32_t numOfBytes, uint32_t systemCoreClock);

　　至此，恩智浦經典LPC系列MCU內部Flash IAP驅動入門痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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