YTM32系列MCU Flash模塊功能詳解

Flash（閃存）是一種可擦除的只讀存儲器，按照實現方式和運行特性Flash一般還會分為NOR和NAND兩種。其中NOR Flash支持隨機地址的讀取方式，在讀取操作上類似于RAM，比較適合程序的直接讀取運行，而NAND Flash讀取是基于頁的方式，一般無法隨機讀取。在MCU中，Flash需要支持程序和數據的存儲，所以實現方式上也都是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 的程序存儲區域，帶有ECC功能，Sector大小為2K
• 256KB 單獨的數據存儲塊，帶有ECC功能，Sector大小為1K
• 4KB的NVR區域，帶有ECC功能，Sector大小為1K
• 支持Flash按區域（16KB單位）的寫保護功能
• 支持調試器禁用
• 支持Flash命令執行結束和異常中斷
• 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）區域
• 支持HCU 密鑰存儲（可擦寫，不可讀?。?/li>
• 支持塊擦除、扇區（sector）擦除和整個chip的擦除操作
• 寫入頁大小為8Bytes

Flash的基本術語約定

為了便于理解，這里整理一下Flash使用中常用的一些基本術語：

• PFlash，程序Flash，實際也可以保存數據，屬于基于應用場景的一種約定名稱
• DFlash，數據Flash，實際也可以運行程序，同樣屬于基于應用場景的一種約定名稱
• Block，Flash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，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，Flash 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，實現應用升級。

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32*256Bit的密鑰存儲。該部分區域支持用戶的Program和Erase，但是不支持讀取操作，可以保證密鑰的安全。當HCU需要使用密鑰的時候，軟件可以直接調用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據，OTP（One Time Program)區域的特點是只能一次program，不支持擦寫和重新program。應用中可以在該部分保存一些產品ID信息或者其它不能希望后續修改的信息。注意該部分的讀取并沒有限制。

BOOT_NVR這部分用來保存和OTA升級相關的數據，軟件應該避免對該區域進行操作，需要使用OTA Swap功能的時候，軟件需要發送SWAP命令實現Flash的Block Swap。

CUS_NVR這部分區域包含Flash擦寫保護配置和Debugger禁用Tag，用戶可以向該區域的特定地址program特定值來實現對Flash的擦寫保護和調試端口禁用。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，Flash的特性是擦除之后bit變成1，寫入操作是將相應的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 頁數據有非1情況下的頁編程，EFM模塊在執行Program命令之前會先從Flash中讀取頁數據并驗證數據為全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）進行寫入或者擦除操作時候不能讀取Flash內容。這也意味著Flash在執行寫入或者擦除的時候，處理器不能從Flash中繼續讀取程序執行代碼，否則EFM模塊會直接產生bus error（M0+中對應為hardfault）。這也是L系列MCU在進行Flash操作（包括DFlash）的時候必須關閉中斷的原因。

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用于保存程序和運行數據，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進行讀寫操作而不必禁用系統中斷；而在應用軟件運行過程中，軟件可以直接操作模擬EEPROM區域而不必禁用系統中斷。
2. 在上述配置的基礎上使用OTA功能，PFlash0和PFlash1分別保存一套程序代碼，通過SWAP指令決定下次復位之后從哪個block啟動。當使用OTA功能的時候，當前Block運行的程序可以直接對另一個Block的Flash進行擦寫操作而不用關閉中斷，因為這個時候軟件是不會跳轉到另外一個block運行的，當然如果軟件在操作另外一個block的時候，同時對這個block進行讀操作也是不允許的。

當前EFM設計中，為了方便軟件使用，對于Flash的編程操作是直接將數據寫入Flash對應的地址（數據都需要4字節對齊），EFM模塊會從寫入操作捕獲寫入操作的地址和數據信息。在這種設計下，軟件對Flash地址的寫操作并不會產生錯誤，這個和Flash不支持直接寫操作是有一定沖突的，所以嚴格來說軟件需要通過MPU模塊對不需要編程的Flash進行禁止寫操作保護。注意Flash的寫保護操作只能保護Flash內容不被擦除和重新編程，處理器直接對這些地址進行寫操作的時候，EFM模塊并不會報錯，只有軟件Launch了扇區擦寫（Sector Erase）或者頁編程（Program）命令的時候，EFM模塊才會檢查當前區域時候被保護，如果為保護區域，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EFM的Prescaler參數設置正確
2. 跳轉到RAM中執行代碼，并根據需要決定是否需要關閉全局中斷
3. 讀取EFM_STS寄存器，判斷當前EFM是否正在執行命令
4. 向需要PROGRAM的flash地址寫入64bit長度數據
5. 寫0xfd9573f5 到EFM_CMD_UNLOCK解鎖FLASH command
6. 寫0x03到EFM_CMD開始執行command
7. 輪詢讀取EFM_STS寄存器等待命令執行結束
8. 讀取EFM_STS驗證command執行結果

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操作的基礎配置，比如低功耗模式是否關閉Flash，選擇HCU的KEY，EFM模塊的時鐘基準，是否開啟數據預取加速，數據讀取的等待周期和各種中斷源的開關。

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操作的一個基礎分頻，軟件初始化的時候需要將PRESCALER設置為主頻/2MHz，比如Core時鐘為120MHz，那么，EFM模塊會根據這個值來產生program和erase的時間，如果這個值設置不準確（主要是偏?。┛赡軙е翭lash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，當主頻為120MHz時候，，RWS設置過大會導致系統性能下降，過小則會導致Flash讀取數據異常。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操作的狀態信息，包含Flash當前是否在執行命令，當前的啟動Block，Flash命令的執行結果和錯誤原因以及ECC錯誤的標志位。

CMD寄存器

軟件通過向CMD寫入命令來啟動flash的相關操作，為了保護CMD不被意外觸發，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而不能進行其他寄存器訪問，否則CMD會產生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，當CTRL_PRESCALER域正確配置時，這兩個寄存器保持復位值就可以了，錯誤的修改這兩個值會導致Flash擦寫異常。

NVR_ADDR和NVR_DATA

這一組寄存器用來傳遞NVR操作的地址和數據信息。

ADDR_PROT寄存器

ADDR_PROT是一組寄存器，ME0x中是3個32位的寄存器，每個寄存器保護一個block，ADDR_PROT的所有bit只能由1寫0，bit為1表示對應區域是未保護的，為0則表示對應區域不能進行擦除和寫入操作，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）的保護區域，每個bit保護16KB。

ADDR_PROT1：定義了Block1（PFlash1）的保護區域，每個bit保護16KB。

ADDR_PROT0：定義了Block0（DFlash）的保護區域，每個bit保護8KB。

ECC_ERR_ADDR寄存器

該寄存器保存了發生ECC錯誤的地址，軟件可以配合ECC錯誤的STS標志實現對Flash ECC錯誤的定位。

Flash操作時間

軟件應用中對于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，上述表格的數據是在Prescaler正確配置和TIMING保持默認值下的數據。

M系列擦除的時間都是16ms，Flash array支持多扇區同時擦寫，所以整個block甚至整個芯片的擦除時間都是16ms，當采用erase retry的擦除方式時，EFM會按照800us的周期對flash進行擦除嘗試，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進行擦寫操作時候，也不支持對PFlash進行讀操作。因此用Dflash模擬EEPROM的時候還是需要禁用系統中斷的。

調試禁用和Flash保護

為了保護用戶的軟件代碼，ME0x系列支持通過Flash禁用芯片調試端口，這個過程是在芯片初始化過程中通過硬件實現的。同樣為了避免程序在運行過程中對Flash進行意外操作，Flash同樣支持基于地址的擦寫保護，應用程序可以根據實際應用需求限制。

在YTM32B1ME0x中，CUS_NVR的起始地址是0x1001_0000U ，這部分NVR區域中數據定義如下：

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

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

HCU KEY區域

ME0x芯片內置HCU加速模塊，可以實現硬件的AES/SHA/SM4運算加速，FLASH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Flash命令讀取的，不過后續項目中將這個操作統一成標準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，所以執行該命令的時候同樣不支持RWW操作，軟件需要關閉中斷，并在RAM中執行該命令。

NVR操作注意事項

因為NVR區域和block有一定的對應關系，并且block swap還會改動這個對應關系，除非明確軟件和NVR不在一個block，否則對于NVR區域的操作還是需要關中斷和在RAM中執行。

對于NVR區域的擦除和寫入操作的時間與Main Array一致。