你必须知道的单片机存储器的那些事！

Original 小师弟果果小师弟 2022-07-15

收录于合集 #STM32 60个

点击上方“果果小师弟”，选择“置顶/星标公众号”

干货福利，第一时间送达！

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，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。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。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。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);
   }
  }
 }
}总结：

/**********************************************************************
* 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;
}