Flash（閃存）是一種可擦除的只讀存儲器，按照實現(xiàn)方式和運(yùn)行特性Flash一般還會分為NOR和NAND兩種。其中NOR Flash支持隨機(jī)地址的讀取方式，在讀取操作上類似于RAM，比較適合程序的直接讀取運(yùn)行，而NAND Flash讀取是基于頁的方式，一般無法隨機(jī)讀取。在MCU中，F(xiàn)lash需要支持程序和數(shù)據(jù)的存儲，所以實現(xiàn)方式上也都是NOR Flash。

基本特性

YTM32系列MCU中Flash的控制是通過EFM(Embedded Flash Module)控制的，這里以ME0x系列MCU為例，EFM模塊支持如下的一些功能：

• 512KB * 2 的程序存儲區(qū)域，帶有ECC功能，Sector大小為2K
• 256KB 單獨的數(shù)據(jù)存儲塊，帶有ECC功能，Sector大小為1K
• 4KB的NVR區(qū)域，帶有ECC功能，Sector大小為1K
• 支持Flash按區(qū)域（16KB單位）的寫保護(hù)功能
• 支持調(diào)試器禁用
• 支持Flash命令執(zhí)行結(jié)束和異常中斷
• 支持Block Swap的OTA升級功能
• 支持ECC錯誤地址記錄和單比特、多比特中斷
• 支持OTP（One Time Program，一次可編程）區(qū)域
• 支持HCU 密鑰存儲（可擦寫，不可讀取）
• 支持塊擦除、扇區(qū)（sector）擦除和整個chip的擦除操作
• 寫入頁大小為8Bytes

Flash的基本術(shù)語約定

為了便于理解，這里整理一下Flash使用中常用的一些基本術(shù)語：

• PFlash，程序Flash，實際也可以保存數(shù)據(jù)，屬于基于應(yīng)用場景的一種約定名稱
• DFlash，數(shù)據(jù)Flash，實際也可以運(yùn)行程序，同樣屬于基于應(yīng)用場景的一種約定名稱
• Block，F(xiàn)lash塊，表示物理上的一個Flash塊，不同物理塊的flash可以支持Read While Write(RWW)特性
• Sector，扇區(qū)，這個是Flash擦除的最小單位，屬于Flash的物理特性，軟件無法修改
• Page，F(xiàn)lash 編程的最小單位，同樣屬于Flash物理特性，軟件無法修改
• RWW，Read While Write，指的是Flash在運(yùn)行擦除或者編程操作時候支持Flash的讀取操作
• ECC校驗，糾錯算法的一種，可以糾正單比特錯誤，檢測多比特錯誤

Memory Map定義

這里以ME0x為例，芯片系統(tǒng)存儲的memory map如下

上述表格中PFlash0和PFlash1是用于存儲用戶程序的，當(dāng)使用OTA功能的時候，這兩個Block可以通過物理地址的重映射互換，實現(xiàn)應(yīng)用升級。

AES_NVR主要用于保存HCU中使用的密鑰，該部分占用1KB空間，可以實現(xiàn)32*256Bit的密鑰存儲。該部分區(qū)域支持用戶的Program和Erase，但是不支持讀取操作，可以保證密鑰的安全。當(dāng)HCU需要使用密鑰的時候，軟件可以直接調(diào)用Flash的命令將需要用到的Key直接load到HCU中使用，整個過程軟件只能選擇key而不能讀取或者修改key。注意program和erase AES key區(qū)域需要用customer key解鎖。

OTP_NVR該部分可以用于保存一次可編程數(shù)據(jù)，OTP（One Time Program)區(qū)域的特點是只能一次program，不支持擦寫和重新program。應(yīng)用中可以在該部分保存一些產(chǎn)品ID信息或者其它不能希望后續(xù)修改的信息。注意該部分的讀取并沒有限制。

BOOT_NVR這部分用來保存和OTA升級相關(guān)的數(shù)據(jù)，軟件應(yīng)該避免對該區(qū)域進(jìn)行操作，需要使用OTA Swap功能的時候，軟件需要發(fā)送SWAP命令實現(xiàn)Flash的Block Swap。

CUS_NVR這部分區(qū)域包含F(xiàn)lash擦寫保護(hù)配置和Debugger禁用Tag，用戶可以向該區(qū)域的特定地址program特定值來實現(xiàn)對Flash的擦寫保護(hù)和調(diào)試端口禁用。CUS_NVR的剩余部分是用戶可以自由使用的，對CUS_NVR的讀寫操作需要先通過寫入customer key來解鎖。

Flash的讀寫擦操作

讀取、寫入和擦除是Flash的基本操作，F(xiàn)lash的特性是擦除之后bit變成1，寫入操作是將相應(yīng)的bit改寫成0，不過因為有ECC的限制，YTM32系列MCU都不支持Reprogram，也就是不支持Flash 頁數(shù)據(jù)有非1情況下的頁編程，EFM模塊在執(zhí)行Program命令之前會先從Flash中讀取頁數(shù)據(jù)并驗證數(shù)據(jù)為全1，驗證失敗則該頁無法編程。

另外Flash的物理塊同一個時間只能執(zhí)行讀取、寫入或者擦除的任一操作，這就限制了我們在對一個物理塊（Block）進(jìn)行寫入或者擦除操作時候不能讀取Flash內(nèi)容。這也意味著Flash在執(zhí)行寫入或者擦除的時候，處理器不能從Flash中繼續(xù)讀取程序執(zhí)行代碼，否則EFM模塊會直接產(chǎn)生bus error（M0+中對應(yīng)為hardfault）。這也是L系列MCU在進(jìn)行Flash操作（包括DFlash）的時候必須關(guān)閉中斷的原因。

在ME0x MCU中總共有3個物理Block，在使用過程中，按照上述原則，處理器在不能對同一個block同時進(jìn)行讀寫操作，所以典型的使用方式有如下幾種：

1. PFlash0和PFlash1用于保存程序和運(yùn)行數(shù)據(jù)，DFlash用于保存Bootloader程序和模擬EEPROM的代碼，這樣在boot模式下，軟件可以直接對兩塊PFlash進(jìn)行讀寫操作而不必禁用系統(tǒng)中斷；而在應(yīng)用軟件運(yùn)行過程中，軟件可以直接操作模擬EEPROM區(qū)域而不必禁用系統(tǒng)中斷。
2. 在上述配置的基礎(chǔ)上使用OTA功能，PFlash0和PFlash1分別保存一套程序代碼，通過SWAP指令決定下次復(fù)位之后從哪個block啟動。當(dāng)使用OTA功能的時候，當(dāng)前Block運(yùn)行的程序可以直接對另一個Block的Flash進(jìn)行擦寫操作而不用關(guān)閉中斷，因為這個時候軟件是不會跳轉(zhuǎn)到另外一個block運(yùn)行的，當(dāng)然如果軟件在操作另外一個block的時候，同時對這個block進(jìn)行讀操作也是不允許的。

當(dāng)前EFM設(shè)計中，為了方便軟件使用，對于Flash的編程操作是直接將數(shù)據(jù)寫入Flash對應(yīng)的地址（數(shù)據(jù)都需要4字節(jié)對齊），EFM模塊會從寫入操作捕獲寫入操作的地址和數(shù)據(jù)信息。在這種設(shè)計下，軟件對Flash地址的寫操作并不會產(chǎn)生錯誤，這個和Flash不支持直接寫操作是有一定沖突的，所以嚴(yán)格來說軟件需要通過MPU模塊對不需要編程的Flash進(jìn)行禁止寫操作保護(hù)。注意Flash的寫保護(hù)操作只能保護(hù)Flash內(nèi)容不被擦除和重新編程，處理器直接對這些地址進(jìn)行寫操作的時候，EFM模塊并不會報錯，只有軟件Launch了扇區(qū)擦寫（Sector Erase）或者頁編程（Program）命令的時候，EFM模塊才會檢查當(dāng)前區(qū)域時候被保護(hù)，如果為保護(hù)區(qū)域，EFM會abort命令并返回access error錯誤。

Flash command流程

對于Flash的操作都是基于Command來操作的，ME0x支持的command列表如下：

以Flash Program為例，Program一個64 bits并verify的command流程如下：

1. 確認(rèn)EFM的Prescaler參數(shù)設(shè)置正確
2. 跳轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行代碼，并根據(jù)需要決定是否需要關(guān)閉全局中斷
3. 讀取EFM_STS寄存器，判斷當(dāng)前EFM是否正在執(zhí)行命令
4. 向需要PROGRAM的flash地址寫入64bit長度數(shù)據(jù)
5. 寫0xfd9573f5 到EFM_CMD_UNLOCK解鎖FLASH command
6. 寫0x03到EFM_CMD開始執(zhí)行command
7. 輪詢讀取EFM_STS寄存器等待命令執(zhí)行結(jié)束
8. 讀取EFM_STS驗證command執(zhí)行結(jié)果

EFM寄存器介紹

EFM對Flash的所有操作都是通過寄存器接口實現(xiàn)的，這里對EFM寄存器的主要域做一個簡單介紹。

CTRL寄存器

CTRL寄存器用于配置EFM操作的基礎(chǔ)配置，比如低功耗模式是否關(guān)閉Flash，選擇HCU的KEY，EFM模塊的時鐘基準(zhǔn)，是否開啟數(shù)據(jù)預(yù)取加速，數(shù)據(jù)讀取的等待周期和各種中斷源的開關(guān)。

EFM CTRL寄存器

AES_KEY_SEL用于選擇load到HCU中AES key的ID，這個操作后續(xù)都換成Flash 命令操作了，僅在ME0x中有該域。

PRESCALER是Flash操作的一個基礎(chǔ)分頻，軟件初始化的時候需要將PRESCALER設(shè)置為主頻/2MHz，比如Core時鐘為120MHz，那么，EFM模塊會根據(jù)這個值來產(chǎn)生program和erase的時間，如果這個值設(shè)置不準(zhǔn)確（主要是偏小）可能會導(dǎo)致Flash編程或者擦除異常。SDK中在時鐘初始化的時候自動適配該值。

RWS是Flash讀操作的等待周期，ME0x中Flash的最高頻率是40MHz，當(dāng)主頻為120MHz時候，，RWS設(shè)置過大會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，過小則會導(dǎo)致Flash讀取數(shù)據(jù)異常。RWS通過時鐘的.flashDiv = *SCU_SYS_CLK_DIV_BY_3* 配置，SCU_SYS_CLK_DIV_BY_3 表示3分頻，RWS=2。

STS寄存器

STS寄存器保存了Flash操作的狀態(tài)信息，包含F(xiàn)lash當(dāng)前是否在執(zhí)行命令，當(dāng)前的啟動Block，F(xiàn)lash命令的執(zhí)行結(jié)果和錯誤原因以及ECC錯誤的標(biāo)志位。

CMD寄存器

軟件通過向CMD寫入命令來啟動flash的相關(guān)操作，為了保護(hù)CMD不被意外觸發(fā)，對CMD操作之前需要向CMD_UNLOCK寄存器寫入0xfd9573f5來解鎖，解鎖后軟件必須立即寫入CMD而不能進(jìn)行其他寄存器訪問，否則CMD會產(chǎn)生Access Error。

TIMING1和TIMING2寄存器

這兩個寄存器是用來做Flash命令的時序微調(diào)，當(dāng)CTRL_PRESCALER域正確配置時，這兩個寄存器保持復(fù)位值就可以了，錯誤的修改這兩個值會導(dǎo)致Flash擦寫異常。

NVR_ADDR和NVR_DATA

這一組寄存器用來傳遞NVR操作的地址和數(shù)據(jù)信息。

ADDR_PROT寄存器

ADDR_PROT是一組寄存器，ME0x中是3個32位的寄存器，每個寄存器保護(hù)一個block，ADDR_PROT的所有bit只能由1寫0，bit為1表示對應(yīng)區(qū)域是未保護(hù)的，為0則表示對應(yīng)區(qū)域不能進(jìn)行擦除和寫入操作，ADDR_PROT上電時會自動從CFG_NVR的特定地址載入。

ADDR_PROT0：定義了Block0（PFlash0）的保護(hù)區(qū)域，每個bit保護(hù)16KB。

ADDR_PROT1：定義了Block1（PFlash1）的保護(hù)區(qū)域，每個bit保護(hù)16KB。

ADDR_PROT0：定義了Block0（DFlash）的保護(hù)區(qū)域，每個bit保護(hù)8KB。

ECC_ERR_ADDR寄存器

該寄存器保存了發(fā)生ECC錯誤的地址，軟件可以配合ECC錯誤的STS標(biāo)志實現(xiàn)對Flash ECC錯誤的定位。

Flash操作時間

軟件應(yīng)用中對于Flash的編程和擦寫的時間一般比較敏感，這里將Flash一些基本操作的時間列舉如下：

因為Flash操作時間和Prescaler和TIMING寄存器配置有關(guān)，上述表格的數(shù)據(jù)是在Prescaler正確配置和TIMING保持默認(rèn)值下的數(shù)據(jù)。

M系列擦除的時間都是16ms，F(xiàn)lash array支持多扇區(qū)同時擦寫，所以整個block甚至整個芯片的擦除時間都是16ms，當(dāng)采用erase retry的擦除方式時，EFM會按照800us的周期對flash進(jìn)行擦除嘗試，這種方式下擦寫的時間是800us～16ms。Erase retry僅支持單個sector的擦寫。

L系列因為只有一個Block的緣故，Block Erase和Chip Erase并沒有什么區(qū)別，也不支持erase retry功能，另外L系列的Dflash實際和Pflash屬于相同的block，所以對Dflash進(jìn)行擦寫操作時候，也不支持對PFlash進(jìn)行讀操作。因此用Dflash模擬EEPROM的時候還是需要禁用系統(tǒng)中斷的。

調(diào)試禁用和Flash保護(hù)

為了保護(hù)用戶的軟件代碼，ME0x系列支持通過Flash禁用芯片調(diào)試端口，這個過程是在芯片初始化過程中通過硬件實現(xiàn)的。同樣為了避免程序在運(yùn)行過程中對Flash進(jìn)行意外操作，F(xiàn)lash同樣支持基于地址的擦寫保護(hù)，應(yīng)用程序可以根據(jù)實際應(yīng)用需求限制。

在YTM32B1ME0x中，CUS_NVR的起始地址是0x1001_0000U ，這部分NVR區(qū)域中數(shù)據(jù)定義如下：

因為NVR區(qū)域的頁大小也是8 Bytes（64bits），實際單次至少寫入兩個words。比如當(dāng)希望在上電后禁用調(diào)試端口，那么只需要向0x10010000U地址寫入0x5a5a5a5a, 0x5a5a5a5a，那么下次芯片復(fù)位之后調(diào)試端口默認(rèn)就不會開啟了。

PROT相應(yīng)的tag和value也是一起編程的，當(dāng)tag匹配的時候，下次上電對應(yīng)的value就會自動load到相應(yīng)的寄存器實現(xiàn)Flash的保護(hù)。

HCU KEY區(qū)域

ME0x芯片內(nèi)置HCU加速模塊，可以實現(xiàn)硬件的AES/SHA/SM4運(yùn)算加速，F(xiàn)LASH模塊支持存儲32組長度為256bit的AES KEY，軟件在使用這些key的時候可以直接將KEY load到HCU模塊，這個過程中軟件無法讀取KEY的值，可以保證KEY的安全性。

在ME0x中，HCU的KEY是通過EFM_CTRL_AES_KEY_SEL域來選擇然后發(fā)Flash命令讀取的，不過后續(xù)項目中將這個操作統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)Flash command，用戶直接給出KEY存儲的地址，然后直接通過命令load。因為KEY的load本身也是一個Flash操作，所以執(zhí)行該命令的時候同樣不支持RWW操作，軟件需要關(guān)閉中斷，并在RAM中執(zhí)行該命令。

NVR操作注意事項

因為NVR區(qū)域和block有一定的對應(yīng)關(guān)系，并且block swap還會改動這個對應(yīng)關(guān)系，除非明確軟件和NVR不在一個block，否則對于NVR區(qū)域的操作還是需要關(guān)中斷和在RAM中執(zhí)行。

對于NVR區(qū)域的擦除和寫入操作的時間與Main Array一致。