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spi_flash.rst

File metadata and controls

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SPI Flash API

:link_to_translation:en:[English]

概述

spi_flash 组件提供外部 flash 数据读取、写入、擦除和内存映射相关的 API 函数，同时也提供了更高层级的、面向分区的 API 函数（定义在 分区表 </api-guides/partition-tables> 中）。

与 ESP-IDF V4.0 之前的 API 不同，这一版 esp_flash_* API 功能并不局限于主 SPI flash 芯片（即运行程序的 SPI flash 芯片）。使用不同的芯片指针，您可以访问连接到 SPI0/1 或 SPI2 总线的外部 flash 芯片。

Note

大多数 esp_flash_* API 使用 SPI1，SPI2 等外设而非通过 SPI0 上的 cache。这使得它们不仅能访问主 flash，也能访问外部 flash 。

而由于 cache 的限制，所有经过 cache 的操作都只能对主 flash 进行。这些操作的地址同样受到 cache 能力的限制。Cache 无法访问外部 flash 或者高于它能力的地址段。这些 cache 操作包括：mmap ，加密读写，执行代码或者访问在 flash 中的变量。

Note

ESP-IDF V4.0 之后的 flash API 不再是 原子 的。因此，如果读操作执行过程中发生写操作，且读操作和写操作的 flash 地址出现重叠，读操作返回的数据可能会包含旧数据和新数据 (新数据为写操作更新产生的数据)。

Note

仅有主 flash 芯片支持加密操作，外接（经 SPI1 使用其他不同片选访问，或经其它 SPI 总线访问）的 flash 芯片则不支持加密操作。硬件的限制也决定了仅有主 flash 支持从 cache 当中读取。

Flash 功能支持情况

支持的 Flash 列表

不同厂家的 flash 特性有不同的操作方式，因此需要特殊的驱动支持。当前驱动支持大多数厂家 flash 24 位地址范围内的快速/慢速读，以及二线模式 (DIO/DOUT)，因为他们不需要任何厂家的自定义命令。

当前驱动支持以下厂家/型号的 flash 的四线模式 (QIO/QOUT)：

  1. ISSI
  2. GD
  3. MXIC
  4. FM
  5. Winbond
  6. XMC
  7. BOYA

Flash 可选的功能

spi_flash_optional_feature

有一些功能可能不是所有的 flash 芯片都支持，或不是所有的 ESP 芯片都支持。这些功能包括：

esp32s3

  • OPI flash - 表示 Flash 支持 8 线模式。
  • 32 比特地址的 flash 支持 - 通常意味着拥有大于 16MB 内存空间的大容量 flash 需要更长的地址去访问。

esp32s3

  • 高性能 (HPM) 模式 - 表示 flash 工作频率大于 80MHz 。
  • flash 的私有ID (unique ID) - 表示 flash 支持它自己的 64-bits 独有 ID 。

esp32c3

  • 暂停与恢复 - 表示 flash 可以在读/写的过程中接受暂停/恢复的命令。{IDF_TARGET_NAME} 可以在 flash 正在写/擦除的过程中保持 cache 开启，并能随机读取 flash 中的内容。

如果您想使用这些功能，则需保证 {IDF_TARGET_NAME} 支持这些功能，且产品里所使用的 flash 芯片也要支持这些功能。请参阅 spi_flash_optional_feature，查看更多信息。

您也可以自定义 flash 芯片驱动。请参阅 spi_flash_override_driver，查看详细信息。

自定义 flash 芯片驱动 <spi_flash_override_driver>

初始化 Flash 设备

在使用 esp_flash_* API 之前，您需要在 SPI 总线上初始化芯片，步骤如下：

  1. 调用 :cppspi_bus_initialize 初始化 SPI 总线。此函数将初始化总线上设备间共享的资源，如 I/O、DMA、中断等。
  2. 调用 :cppspi_bus_add_flash_device 将 flash 设备连接到总线上。然后分配内存，填充 esp_flash_t 结构体，同时初始化 CS I/O。
  3. 调用 :cppesp_flash_init 与芯片进行通信。后续操作会依据芯片类型不同而有差异。

Note

当前，已支持多个 flash 芯片连接到同一总线。

SPI Flash 访问 API

如下所示为处理 flash 中数据的函数集：

  • :cppesp_flash_read：将数据从 flash 读取到 RAM；
  • :cppesp_flash_write：将数据从 RAM 写入到 flash；
  • :cppesp_flash_erase_region：擦除 flash 中指定区域的数据；
  • :cppesp_flash_erase_chip：擦除整个 flash；
  • :cppesp_flash_get_chip_size：返回 menuconfig 中设置的 flash 芯片容量（以字节为单位）。

一般来说，请尽量避免对主 SPI flash 芯片直接使用原始 SPI flash 函数。如需对主 SPI flash 芯片进行操作，请使用 分区专用函数 <flash-partition-apis>。

SPI Flash 容量

SPI flash 容量由引导加载程序镜像头部（烧录偏移量为 0x1000）的一个字段进行配置。

默认情况下，引导程序被写入 flash 时，esptool.py 会自动检测 SPI flash 容量，同时使用正确容量更新引导程序的头部。您也可以在工程配置中设置 CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE，生成固定的 flash 容量。

如需在运行时覆盖已配置的 flash 容量，请配置 g_rom_flashchip 结构中的 chip_size。esp_flash_* 函数使用此容量（于软件和 ROM 中）进行边界检查。

SPI1 Flash 并发约束

spi_flash_concurrency

Attention

指令/数据 cache（用以执行固件）与 SPI1 外设（由像 SPI flash 驱动一样的驱动程序控制）共享 SPI0/1 总线。因此，在 SPI1 总线上调用 SPI flash API（包括访问主 flash）会对整个系统造成显著的影响。请参阅 spi_flash_concurrency，查看详细信息。

分区表 API

ESP-IDF 工程使用分区表保存 SPI flash 各区信息，包括引导程序、各种应用程序二进制文件、数据及文件系统等。请参阅 分区表 </api-guides/partition-tables>，查看详细信息。

该组件在 esp_partition.h 中声明了一些 API 函数，用以枚举在分区表中找到的分区，并对这些分区执行操作：

  • :cppesp_partition_find：在分区表中查找特定类型的条目，返回一个不透明迭代器；
  • :cppesp_partition_get：返回一个结构体，描述给定迭代器的分区；
  • :cppesp_partition_next：将迭代器移至下一个找到的分区；
  • :cppesp_partition_iterator_release：释放 esp_partition_find 中返回的迭代器；
  • :cppesp_partition_find_first：返回描述 esp_partition_find 中找到的第一个分区的结构；
  • :cppesp_partition_read、:cppesp_partition_write 和 :cppesp_partition_erase_range 等同于 :cppesp_flash_read、:cppesp_flash_write 和 :cppesp_flash_erase_region，但在分区边界内执行。

Note

请在应用程序代码中使用上述 esp_partition_* API 函数，而非低层级的 esp_flash_* API 函数。分区表 API 函数根据存储在分区表中的数据，进行边界检查并计算在 flash 中的正确偏移量。

SPI Flash 加密

您可以对 SPI flash 内容进行加密，并在硬件层对其进行透明解密。

请参阅 flash 加密 </security/flash-encryption>，查看详细信息。

内存映射 API

{IDF_TARGET_CACHE_SIZE:default="64 KB",esp32c2=16~64 KB}

{IDF_TARGET_NAME} 的内存硬件可以将 flash 部分区域映射到指令地址空间和数据地址空间。此映射仅用于读操作，不能通过写入 flash 映射的存储区域来改变 flash 中的内容。

Flash 在 {IDF_TARGET_CACHE_SIZE} 页进行映射。内存映射硬件既可将 flash 映射到数据地址空间，也能映射到指令地址空间。请查看技术参考手册，了解内存映射硬件的详细信息及有关限制。

请注意，有些页被用于将应用程序映射到内存中，因此实际可用的页会少于硬件提供的总数。

启用 Flash 加密 </security/flash-encryption> 时，使用内存映射区域从 flash 读取数据是解密 flash 的唯一方法，解密需在硬件层进行。

内存映射 API 在 spi_flash_mmap.h 和 esp_partition.h 中声明：

  • :cppspi_flash_mmap：将 flash 物理地址区域映射到 CPU 指令空间或数据空间；
  • :cppspi_flash_munmap：取消上述区域的映射；
  • :cppesp_partition_mmap：将分区的一部分映射至 CPU 指令空间或数据空间；

:cppspi_flash_mmap 和 :cppesp_partition_mmap 的区别如下：

  • :cppspi_flash_mmap：需要给定一个 {IDF_TARGET_CACHE_SIZE} 对齐的物理地址；
  • :cppesp_partition_mmap：给定分区内任意偏移量即可，此函数根据需要将返回的指针调整至指向映射内存。

内存映射以页为单位，即使传递给 esp_partition_mmap 的是一个分区，分区外的数据也是也是可以被读取到的，不会受到分区边界的影响。

Note

由于 mmap 是由 cache 支持的，因此，mmap 也仅能用在主 flash 上。

SPI Flash 实现

esp_flash_t 结构体包含芯片数据和该 API 的三个重要部分：

  1. 主机驱动，为访问芯片提供硬件支持；
  2. 芯片驱动，为不同芯片提供兼容性服务；
  3. OS 函数，在不同阶段（一级或二级 Boot 或者应用程序阶段）为部分 OS 函数（如锁、延迟）提供支持。

主机驱动

主机驱动依赖 hal/include/hal 文件夹下 spi_flash_types.h 定义的 spi_flash_host_driver_t 接口。该接口提供了一些常用的函数，用于与芯片通信。

在 SPI HAL 文件中，有些函数是基于现有的 {IDF_TARGET_NAME} memory-spi 来实现的。但是，由于 {IDF_TARGET_NAME} 的速度限制，HAL 层无法提供某些读命令的高速实现（所以这些命令根本没有在 HAL 的文件中被实现）。memspi_host_driver.h 和 .c 文件使用 HAL 提供的 common_command 函数实现上述读命令的高速版本，并将所有它实现的以及 HAL 函数封装为 spi_flash_host_driver_t 供更上层调用。

您甚至可以仅通过 GPIO 来实现自己的主机驱动。只要实现了 spi_flash_host_driver_t 中所有函数，不管底层硬件是什么，esp_flash API 都可以访问 flash。

芯片驱动

芯片驱动在 spi_flash_chip_driver.h 中进行定义，并将主机驱动提供的基本函数进行封装以供 API 层使用。

有些操作需在执行前先发送命令，或在执行后读取状态，因此有些芯片需要不同的命令或值以及通信方式。

generic chip 芯片代表了常见的 flash 芯片，其他芯片驱动可以在这种通用芯片的基础上进行开发。

芯片驱动依赖主机驱动。

OS 函数

OS 函数层目前支持访问锁和延迟的方法。

锁（见 spi_bus_lock）用于解决同一 SPI 总线上的设备访问和 SPI flash 芯片访问之间的冲突。例如：

  1. 经 SPI1 总线访问 flash 芯片时，应当禁用 cache（平时用于获取代码和 PSRAM 数据）。
  2. 经其他总线访问 flash 芯片时，应当禁用 flash 上 SPI 主驱动器注册的 ISR 以避免冲突。
  3. SPI 主驱动器上某些没有 CS 线或者 CS 线受软件（如 SDSPI）控制的设备需要在一段时间内独占总线。

延时则用于某些长时操作，需要主机处于等待状态或执行轮询。

顶层 API 将芯片驱动和 OS 函数封装成一个完整的组件，并提供参数检查。

使用 OS 函数还可以在一定程度上避免在擦除大块 flash 区域时出现看门狗超时的情况。在这段时间内，CPU 将被 flash 擦除任务占用，从而阻止其他任务的执行，包括为看门狗定时器 (WDT) 供电的空闲任务。若已选中配置选项 CONFIG_ESP_TASK_WDT_PANIC，并且 flash 操作时间长于看门狗的超时时间，系统将重新启动。

不过，由于不同的 flash 芯片擦除时间不同，flash 驱动几乎无法兼容，很难完全规避超时的风险。因此，您需要格外注意这一点。请遵照以下指南：

  1. 建议启用 CONFIG_SPI_FLASH_YIELD_DURING_ERASE 选项，允许调度器在擦除 flash 时进行重新调度。此外，还可以使用下列参数。
  • 在 menuconfig 中增加 CONFIG_SPI_FLASH_ERASE_YIELD_TICKS 或减少 CONFIG_SPI_FLASH_ERASE_YIELD_DURATION_MS 的时间。
  • 您也可以在 menuconfig 中增加 CONFIG_ESP_TASK_WDT_TIMEOUT_S 的时间以设置更长的看门狗超时周期。然而，看门狗超时周期拉长后，可能无法再检测到以前可检测到的超时。
  1. 请注意，在进行长时间的 SPI flash 操作时，启用 CONFIG_ESP_TASK_WDT_PANIC 选项将会在超时时触发恐慌处理程序。不过，启用该选项也可以帮助处理应用程序中的意外异常，您可以根据实际情况决定是否需要启用这个选项。
  2. 在开发过程中，请根据项目对擦除 flash 的具体要求和时间限制，谨慎进行 flash 操作。在配置 flash 擦除超时周期时，请在实际产品要求的基础上留出合理的冗余时间，从而提高产品的可靠性。

另请参考

  • 分区表 <../../api-guides/partition-tables>
  • OTA API <../system/ota> 提供了高层 API 用于更新存储在 flash 中的 app 固件。
  • NVS API <nvs_flash> 提供了结构化 API 用于存储 SPI flash 中的碎片数据。

实现细节

必须确保操作期间，两个 CPU 均未从 flash 运行代码，实现细节如下： - 单核模式下，SDK 在执行 flash 操作前将禁用中断或调度算法。 - 双核模式下，SDK 需确保两个 CPU 均未运行 flash 代码。

如果有 SPI flash API 在 CPU A（PRO 或 APP）上调用，它使用 esp_ipc_call API 在 CPU B 上运行 spi_flash_op_block_func 函数。esp_ipc_call API 会在 CPU B 上唤醒一个高优先级任务，即运行 spi_flash_op_block_func 函数。运行该函数将禁用 CPU B 上的 cache，并使用 s_flash_op_can_start 旗帜来标志 cache 已禁用。然后，CPU A 上的任务也会禁用 cache 并继续执行 flash 操作。

执行 flash 操作时，CPU A 和 CPU B 仍然可以执行中断操作。默认中断代码均存储于 RAM 中，如果新添加了中断分配 API，则应添加一个标志位以请求在 flash 操作期间禁用该新分配的中断。

Flash 操作完成后，CPU A 上的函数将设置另一标志位，即 s_flash_op_complete，用以通知 CPU B 上的任务可以重新启用 cache 并释放 CPU。接着，CPU A 上的函数也重新启用 cache，并将控制权返还给调用者。

另外，所有 API 函数均受互斥量 s_flash_op_mutex 保护。

在单核环境中（启用 CONFIG_FREERTOS_UNICORE），您需要禁用上述两个 cache 以防发生 CPU 间通信。

SPI Flash API 参考

inc/esp_flash_spi_init.inc

inc/esp_flash.inc

inc/spi_flash_mmap.inc

inc/spi_flash_types.inc

inc/esp_flash_err.inc

分区表 API 参考

inc/esp_partition.inc

Flash 加密 API 参考

inc/esp_flash_encrypt.inc