【红枫派开发板】第二十五讲 EXMC-外部SRAM读写实验

25.1 实验内容

通过本实验主要学习以下内容：

• EXMC外设原理和配置

• EXMC NOR/SRAM模式介绍

• 外部SRAM接口时序和操作方式

25.2 实验原理

MCU的片内SRAM空间有限，在做一些大量数据处理、GUI显示等应用中片内SRAM容量无法满足应用需求，而外部SRAM器件读写速度快，不需要自刷新，工作稳定，是性能最优的外扩RAM选择之一。MCU通过EXMC接口可以实现外部SRAM的接口通信协议，同时可映射到内部地址实现和内部ram相同的操作方式。

25.2.1 EXMC外设原理

EXMC是MCU的外部存储控制器，可以配置实现各类片外设备的通信协议，包括SRAM、PSRAM、NOR FLASH、NAND FLASH等，也可以通过配置实现一些其他通信协议，如8080接口的LCD驱动、FPGA通信等，可灵活的实现很多异步同步信号输入输出，时序时间可配置。更重要的是EXMC可通过地址映射方式实现MCU内部总线协议到外部器件通信的转换，实现高效的数据读取和输出能力。

• EXMC系统架构如下图所示，外部SRAM使用NOR-Flash/PSRAM控制器实现通信协议，使用NWE、NOE、EXMC_Dx、EXMC_Ax、EXMC_NBLx、EXMC_NEx引脚和SRAM器件进行连接。

EXMC根据不同存储器类型，对应有4个BANK，每个BANK各256MB占用了不同地址空间。访问对应BANK区的地址时EXMC会自动按对应改区存储类型的时序和配置进行通信。

25.2.2 EXMC NOR/SRAM模式介绍

如SRAM/NOR类型对应区域为BANK0总计256MB空间。而BANK0其中有分了4个Regions各64MB，每个Regions分别对应NE0——NE4引脚连接的器件，可以连接4个64MB SRAM就可以组成256MB的连续SRAM地址空间，也可以连接4个NOR或者2个NOR和2个SRAM的组合方式。

• 访问外部SRAM时，采用了EXMC SRAM异步访问模式A，读写开始时NE先拉低，接着地址先建立并保持，同时其他信号根据当前访问方向等进行信号对应输出，接下来MCU或器件输出数据信号建立，在输出使能的边沿进行采样，读写结束NE拉高。读写信号时序如下图：

在这个时序过程中，很多参数可以进行配置调节，其中主要是地址建立和保持、数据建立的参数，一般根据速率要求、硬件信号斜率限制来平衡这个参数，目标为达到一个满足稳定性的最高速率参数。相关参数如下表所示：

25.2.3 外部SRAM器件原理

sram存储模型可以使用下图说明：

SRAM内部包含的存储阵列，和表格查找一样，指定一个行地址和列地址，就可以精确地找到目标BIT单元格，这是SRAM芯片寻址的基本原理。这样的每个单元格被称为存储单元，而这样的表则被称为存储矩阵。地址译码器把N根地址线转换成2的N次方根信号线，每根信号线对应一行或一列存储单元，通过地址线找到具体的存储单元，实现寻址。如果存储阵列比较大，地址线会分成行和列地址，或者行、列分时复用同一地址总线，访问数据寻址时先用地址线传输行地址再传输列地址。

在外部SRAM上，列地址对应了数据宽度，如例程所用的IS62WV51216BLL为16位宽度，故而行地址范围是19，对应了IS62WV51216BLL的A0-A19引脚，主控芯片通过A0-A19引脚即可实现对行地址进行寻址访问到对应的16BIT数据。

如下图所示为外部SRAM接口信号，主控通过特定接口按时序即可时序地址发送、数据发送和读取，实现对指定地址数据的读写。

25.3 硬件设计

如下是IS62WV51216BLL的原理图设计，MCU通过EXMC相关对应接口连接到SRAM。

• SRAM作为敏感器件，需要保证电源的稳定、减少噪声，串接了磁珠后供电，同时对sram的vdd引脚必须就近放置0.1uf去耦电容，若整个系统中存在较多其他负载，可以再增加较大电容稳定电源。

• SRAM的CS引脚通过MCU EXMC_NEx引脚控制，由于片选信号较为关键，避免MCU在EXMC多器件时悬空信号不稳定导致误操作，需要增加上拉电阻；在这里，上拉电阻应当靠近SRAM放置，减少连接回路上的耦合干扰。

25.4 代码解析

EXMC在初始化后，基本上通过程序的地址映射就可以进行操作了，需要根据外部器件的要求进行exmc相关参数配置，exmc可配置参数有很多，但选定好一个模式后实际在这个模式下需要配置的参数是有限的，一些结构体成员只需要按默认参数配置即可。

25.4.1 EXMC SRAM模式初始化

• 在sram访问时，可能会调整的exmc参数如下：

• 其中数据建立、地址建立、地址保持三个参数尤其关键，影响到最终的速率以及稳定性，需要根据器件、电路设计、PCB设计、信号测试综合来调试选取合适的值；其单位为AHB CLK。

• 整个SRAM配置过程主要包含：GPIO和EXMC外设接口时钟、GPIO配置、EXMC相关参数配置，完整代码如下：

C
/*!
* 说明     emxc nor/sram模式初始化
* 输入[1]  norsram_region: @EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0/EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION1/EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION2/EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION3
* 返回值   无
*/
void driver_exmc_sram_init(uint32_t norsram_region)
{
exmc_norsram_parameter_struct nor_init_struct;
exmc_norsram_timing_parameter_struct nor_timing_init_struct;

/* EXMC clock enable */
rcu_periph_clock_enable(RCU_EXMC);

/* EXMC enable */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOE);
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF);
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOG);

/* configure EXMC_D[0~15]*/
/* PD14(EXMC_D0), PD15(EXMC_D1),PD0(EXMC_D2), PD1(EXMC_D3), PD8(EXMC_D13), PD9(EXMC_D14), PD10(EXMC_D15) */
gpio_init(GPIOD, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1| GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 |
GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);

/* PE7(EXMC_D4), PE8(EXMC_D5), PE9(EXMC_D6), PE10(EXMC_D7), PE11(EXMC_D8), PE12(EXMC_D9),
PE13(EXMC_D10), PE14(EXMC_D11), PE15(EXMC_D12) */
gpio_init(GPIOE, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 |
GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 |
GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);

/* configure NBL0(PE0) and NBL1(PE1) */
gpio_init(GPIOG, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10);

/* configure NBL0(PE0) and NBL1(PE1) */
gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15);

exmc_norsram_struct_para_init(&nor_init_struct);

/* config timing parameter */
nor_timing_init_struct.asyn_access_mode = EXMC_ACCESS_MODE_A;
nor_timing_init_struct.syn_data_latency = EXMC_DATALAT_2_CLK;
nor_timing_init_struct.syn_clk_division = EXMC_SYN_CLOCK_RATIO_2_CLK;
nor_timing_init_struct.bus_latency = 0;
nor_timing_init_struct.asyn_data_setuptime = 8;
nor_timing_init_struct.asyn_address_holdtime = 8;
nor_timing_init_struct.asyn_address_setuptime = 8;

/* config EXMC bus parameters */
nor_init_struct.norsram_region = norsram_region;
nor_init_struct.write_mode = EXMC_ASYN_WRITE;
nor_init_struct.extended_mode = DISABLE;
nor_init_struct.asyn_wait = DISABLE;
nor_init_struct.nwait_signal = DISABLE;
nor_init_struct.memory_write = ENABLE;
nor_init_struct.nwait_config = EXMC_NWAIT_CONFIG_BEFORE;
nor_init_struct.wrap_burst_mode = DISABLE;
nor_init_struct.nwait_polarity = EXMC_NWAIT_POLARITY_LOW;
nor_init_struct.burst_mode = DISABLE;
nor_init_struct.databus_width = EXMC_NOR_DATABUS_WIDTH_16B;
nor_init_struct.memory_type = EXMC_MEMORY_TYPE_SRAM;
nor_init_struct.address_data_mux = DISABLE;
nor_init_struct.read_write_timing = &nor_timing_init_struct;
nor_init_struct.write_timing = &nor_timing_init_struct;
exmc_norsram_init(&nor_init_struct);

/* enable the EXMC bank0 NORSRAM */
exmc_norsram_enable(norsram_region);
}

25.4.2 初始化调用

• 红枫派开发板中SRAM的CS连接引脚为EXMC_NE0引脚，故而对应EXMC BANK0 Region0区，调用初始化时我们传入参数EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0即可。

C
//初始化exmc norsram region0
driver_exmc_norsram_init(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0);

25.4.3 地址映射访问方式

• 初始化好后EXMC BANK0 Region0区的地址可以理解就和外部SRAM形成了映射关系，读写这些地址时EXMC会先拉低NE0选择SRAM进行通信和交互；

￮ exmc驱动的头文件中定义好了BANK的4个Region地址，我们对Region0地址读写即可实现外部SRAM的数据读写。

￮ 同样我们也可以直接在编译器里定义外部sram地址范围，直接让编译器把定义的变量和数组放在外部sram中，我们不用再关心其具体地址；但我们需要在main函数之前初始化好exmc，可以在启动文件中调用exmc初始化。

25.4.4 main函数设计

mian函数中通过指针方式以8位、16位、32位写并读取校验了外部SRAM数据

C
int main(void)
{
uint32_t writereadstatus = 0;

//延时和公共驱动部分初始化
driver_init();

//打印串口初始化
bsp_uart_init(&BOARD_UART);

//初始化LED组
bsp_led_group_init();
bsp_led_off(&LED0);
bsp_led_off(&LED1);

//初始化exmc norsram region0
driver_exmc_norsram_init(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0);

delay_ms(100);
printf("External sram read and write examples.\r\n");

//以32位读写校验
printf("32-bit read/write check.\r\n");
writereadstatus=0;
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
REG32(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index*4)=0xa55aa55a;
}
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
if(0xa55aa55a!=REG32(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index*4)){
writereadstatus++;
break;
}
}
if(writereadstatus){
bsp_led_on(&LED0);
printf("\r\n32-bit read/write SRAM test failed!");
}else{
bsp_led_on(&LED1);
printf("\r\n32-bit read/write SRAM test successed!");
}

//以16位读写校验
printf("16-bit read/write check.\r\n");
writereadstatus=0;
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
REG16(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index*2)=0xaaaa;
}
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
if(0xaaaa!=REG16(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index*2)){
writereadstatus++;
break;
}
}
if(writereadstatus){
bsp_led_on(&LED0);
printf("\r\n16-bit read/write SRAM test failed!");
}else{
bsp_led_on(&LED1);
printf("\r\n16-bit read/write SRAM test successed!");
}

//以8位读写校验
printf("8-bit read/write check.\r\n");
writereadstatus=0;
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
REG8(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index)=0x55;
}
for(uint32_t index = 0; index < EXMC_SRAM_SIZE; index++ ){
if(0x55!=REG8(EXMC_BANK0_NORSRAM_REGION0_ADDR+index)){
writereadstatus++;
break;
}
}
if(writereadstatus){
bsp_led_on(&LED0);
printf("\r\n8-bit read/write SRAM test failed!");
}else{
bsp_led_on(&LED1);
printf("\r\n8-bit read/write SRAM test successed!");
}

while (1)
{

}
}

25.5 实验结果

连接USB转串口，将打印读写校验结果。

红枫派开发板使用手册：‌​​⁣​⁤‬⁢‬⁤⁡‍​⁡‌⁡‍‍‬‍⁡⁣⁤‍‍​⁣‍‬​‍⁢​⁢⁣​‍⁤⁤‬‌‌⁡‌​GD32F303红枫派使用手册 - 飞书云文档 (feishu.cn)