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关于STM32的flash读写操作在RAM中实现方式

时间：2025-11-07 14:26 作者：来源：阅读：0
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摘要：第一章关于STM32的flash读写操作在RAM中实现方式文章目录背景一、了解RAM和ROM？下面详细解释RAM和ROM的区别：1.RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）2.ROM（Read Only Memory，只读存储器）具体区别如下表：小结一下二、CPU和flash功能定义介绍1. 基本功

第一章关于STM32的flash读写操作在RAM中实现方式

文章目录

背景一、了解RAM和ROM？下面详细解释RAM和ROM的区别：1.RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）2.ROM（Read Only Memory，只读存储器）具体区别如下表：小结一下二、CPU和flash功能定义介绍1. 基本功能2. 在嵌入式系统（如STM32）中的角色3. 访问速度4. 物理结构和制造工艺5. 寿命和可靠性6.协同关系二、CPU和flash在程序执行过程中是如何执行的🔍 CPU执行函数的基本原理1. 程序计数器（PC）的作用2. 函数调用的具体过程普通函数调用：调用过程：三、理解STM32F4的指令缓存机制（I-Cache）概念四、在RAM运行指定函数1.分散加载文件(.sct)2.编辑分散加载文件关于如何编写分散加载文件 3.对要在ram中运行函数进行定义4.编写拷贝文件五、检验程序是否已经运行总结

背景

得先解释在Flash上擦写Flash为什么有问题：因为Flash存储器在某一时刻只能处于一种模式：要么被CPU读取（取指/取数），要么被擦写。所以，当CPU执行Flash上的指令时，如果同时擦写同一块存储区域，访问冲突会导致硬件错误。
用一个简单的类比来理解：
在Flash中运行擦写程序：就像你站在一块木板上，同时试图用锯子锯断这块木板。当你锯到脚下时，你必然会掉下去。
在RAM中运行擦写程序：就像你站在坚实的地面上（RAM），去锯旁边的一块木板（Flash）。你可以安全、完整地完成整个锯木过程。

一、了解RAM和ROM？

我们通常所说的RAM和ROM在计算机体系结构中指的是内存和存储器的类型，但在嵌入式系统中，特别是STM32中，我们通常将Flash称为ROM（用于存储程序代码和常量数据），将SRAM称为RAM（用于运行时的变量和堆栈）。

下面详细解释RAM和ROM的区别：

1.RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）

特点：可读可写，但掉电后数据会丢失。

用途：用于临时存储数据，如变量、堆栈、动态分配的内存等。

类型：在嵌入式系统中，通常指的是SRAM（静态RAM）或者外部扩展的SDRAM（动态RAM）等。

2.ROM（Read Only Memory，只读存储器）

特点：通常用于存储固定数据，掉电后数据不丢失。但实际上，现在的ROM也可以写入，只是写入方式可能不如RAM方便（例如需要擦除和编程操作，且寿命有限）。

用途：用于存储程序代码、常量数据、固件等。

类型：在STM32中，ROM通常指Flash存储器，也有EEPROM（用于存储需要频繁修改的数据，但容量较小）。

在STM32中，我们通常将程序烧录到Flash（ROM）中，程序运行时，代码从Flash中被读取，变量和数据则在RAM中操作。

具体区别如下表：

小结一下

使用RAM存储：临时数据、变量、堆栈、动态分配的内存

使用ROM存储：程序代码、常量数据、配置参数、固件

二、CPU和flash功能定义介绍

1. 基本功能

CPU（Central Processing Unit）是计算机的“大脑”，负责执行程序指令，处理数据，控制其他硬件。它通过指令集架构（如ARM、x86）来定义可以执行的操作。

Flash是一种非易失性存储技术，用于长期保存数据，即使断电数据也不会丢失。它通常用于存储操作系统、应用程序、用户数据等。

2. 在嵌入式系统（如STM32）中的角色

在STM32这样的嵌入式系统中：
CPU：执行存储在Flash中的程序指令，处理来自外设的数据，控制整个系统的运行。
Flash：存储程序代码（固件）、常量数据等。当STM32启动时，CPU从Flash的特定地址（通常是0x08000000）开始读取指令并执行。

3. 访问速度

CPU：速度极快，现代CPU的时钟频率可达数GHz，每个时钟周期可以执行多条指令（流水线、超标量技术）。CPU内部还有多级缓存（L1、L2、L3）来加速数据访问。

Flash：访问速度相对较慢。从Flash读取数据需要微秒级时间，写和擦除操作更慢（毫秒级）。因此，CPU通常不会直接从Flash执行指令，而是将代码加载到RAM中执行，或者通过指令缓存来加速。

4. 物理结构和制造工艺

CPU：由数十亿个晶体管组成，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元、寄存器、缓存等。制造工艺极其复杂，目前已经达到纳米级别（如5nm、3nm）。

Flash：使用浮栅晶体管，通过 trapped charge 来存储数据。Flash内存被组织成块（Block）和页（Page），擦除操作以块为单位，写入以页为单位。

5. 寿命和可靠性

CPU：只要在规定的电压和温度范围内使用，寿命很长。但过度超频、高温会缩短其寿命。
Flash：每个存储单元有擦写次数限制（通常10万次左右）。超过次数后，存储单元可能损坏。因此，在嵌入式系统中，需要避免频繁写入同一Flash区域，通常采用磨损均衡技术。

6.协同关系

启动过程：

上电 → CPU从Flash固定地址读取初始栈指针CPU从Flash读取复位向量 → 跳转到Reset_HandlerCPU执行Flash中的启动代码 → 初始化系统CPU执行Flash中的main函数 → 应用程序运行

二、CPU和flash在程序执行过程中是如何执行的

🔍 CPU执行函数的基本原理

1. 程序计数器（PC）的作用


// 简化的CPU工作流程
while(1) {
    // 1. 取指令：从PC指向的地址读取指令
    instruction = memory[PC];
    
    // 2. 译码：理解指令含义
    decoded_instruction = decode(instruction);
    
    // 3. 执行：执行指令操作
    execute(decoded_instruction);
    
    // 4. 更新PC：指向下一条指令
    PC = next_instruction_address(PC);
}

2. 函数调用的具体过程

普通函数调用：


// 在Flash中的代码
0x08000100: void function_A(void) {
0x08000102:     int x = 10;
0x08000106:     function_B(x);
0x0800010A: }

0x08000120: void function_B(int param) {
0x08000122:     printf("Value: %d", param);
0x08000130: }

调用过程：


; 调用function_B时的汇编代码
0x08000106: MOV R0, #10       ; 准备参数
0x08000108: BL  0x08000120    ; 分支链接到function_B地址
; BL指令会：
; 1. 将返回地址(0x0800010A)保存到LR寄存器
; 2. 将PC设置为0x08000120

; 在function_B中
0x08000120: PUSH {R0, LR}     ; 保存寄存器和返回地址
0x08000122: ...               ; 执行函数体
0x0800012E: POP {R0, LR}      ; 恢复寄存器
0x08000130: BX LR             ; 跳转回返回地址

小结一下
CPU和flash之间交互的方式为：CPU读取地址，然后执行该地址处的代码（函数）。但更准确的说法是：CPU通过程序计数器指向的地址读取指令并执行，函数调用就是让程序计数器跳转到函数的起始地址。

三、理解STM32F4的指令缓存机制（I-Cache）

概念

指令缓存是CPU内部的一块高速内存，用于存储最近使用的指令。当CPU需要执行指令时，它首先检查指令缓存中是否已经存在该指令。如果存在（缓存命中），则直接从缓存中读取指令，避免了访问Flash的延迟。如果不存在（缓存未命中），则从Flash中读取指令，并将其存入缓存中，以便后续使用。。

注意事项：
I-Cache是透明的，对于程序员来说，通常不需要额外操作。

在极少数情况下，如果Flash内容被更改（例如通过程序自我更新），则需要无效化（Invalidate）I-Cache，以确保CPU不会读取到旧的指令。这可以通过SCB_InvalidateICache()函数实现。

四、在RAM运行指定函数

1.分散加载文件(.sct)

1.在项目文件夹下新建文件并自定义命名为“STM32F407ZGT6.sct”

2.在Keil中查看/创建分散加载文件：

项目选项 → Linker → 取消"Use Memory Layout from Target Dialog"点击scatter file 选择新建的文件点击"Edit"来编辑分散加载文件编辑后可进行编译即可，但此时会出错，没有关系因为还有的工作没有做完，接着往下走

2.编辑分散加载文件

先把结果放出来，下面进行解释


LR_IROM1 0x08000000 0x00050000  {    ; 加载区域: 320KB Flash
  
  ; Flash执行区域 - 大部分代码在这里执行
  ER_IROM1 0x08000000 0x00050000  {  
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)                        ; 普通只读代码和常量
   .ANY (+XO)                        ; 执行代码
  }
  
  ; RAM数据区域 - 变量和数据
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00018000  {  ; 减少到96KB，为RAM代码留空间
   .ANY (+RW +ZI)
  }
  
  ; RAM代码执行区域 - Flash操作函数在这里运行
  ER_IRAM2 0x20018000 0x00004000  {  ; 16KB用于RAM中执行的代码
   *.o (RAM_FUNC)            ; RAM中运行的函数

  }
  
  ; 剩余的RAM作为数据区域
  RW_IRAM3 0x2001C000 0x00004000  {  ; 最后16KB
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}

关于如何编写分散加载文件

stm32默认的分散加载文件解读


LR_IROM1 0x08000000 0x00100000  {    ; 加载区域，起始地址0x08000000，大小1MB
  ; 第一个执行区域：Flash区域，用于存放只读代码和数据
  ER_IROM1 0x08000000 0x00100000  {
   *.o (RESET, +First)        ; 中断向量表
   *(InRoot$$Sections)        ; 库代码
   .ANY (+RO)                 ; 所有只读代码和常量，包括RAM_FUNC的加载地址
  }
  
  ; 第二个执行区域：RAM区域，用于存放读写数据，以及运行RAM_FUNC
  RW_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {
   .ANY (+RW +ZI)             ; 所有读写数据和未初始化数据
  }
  
  ; 新增一个执行区域，用于在RAM中运行代码，但代码在Flash中加载，运行时拷贝到RAM
  ER_IRAM1 0x20000000 0x00020000  {
   .ANY (RAM_FUNC)            ; 将RAM_FUNC段放在RAM中执行
  }
}

3.对要在ram中运行函数进行定义

对于单个运行函数的定义


// 定义一个在RAM中运行的函数
__attribute__((section("RAM_FUNC"))) void Flash_Write(uint32_t address, uint32_t data)
{
    // 在这里实现Flash写操作
}

也可以对多个函数进行定义，如下


#define RAM_FUNC __attribute__((section("RAM_FUNC")))

RAM_FUNC void func1(void) {
    // 函数体
}

RAM_FUNC void func2(void) {
    // 函数体
}

这里section中的字段“RAM_FUNC”和分散加载文件中的字段要对齐，如：
ER_IRAM2 0x20018000 0x00004000 { ; 16KB用于RAM中执行的代码
*.o (RAM_FUNC) ; RAM中运行的函数

}

4.编写拷贝文件

直接复制这个函数就行，然后在main函数下执行，主要功能是将flash中存储的代码地址和执行区域地址对应起来


extern uint32_t Load$$ER_IRAM2$$Base;      //获取数据存储时的位置
extern uint32_t Image$$ER_IRAM2$$Base;    // 获取数据执行时的位置
extern uint32_t Image$$ER_IRAM2$$Length;   //表示ER_IRAM2区域的大小（字节数）

void Copy_RAM_Functions(void)
{
    uint32_t *src = &Load$$ER_IRAM2$$Base;
    uint32_t *dst = &Image$$ER_IRAM2$$Base;
    uint32_t len = (uint32_t)&Image$$ER_IRAM2$$Length;
    
    // 按字拷贝（假设长度是4的倍数）
    for (uint32_t i = 0; i < len; i += 4) {
        *dst++ = *src++;
    }
}