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spi_flash.rst

File metadata and controls

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Raw

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 :doc:`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 flash 操作地址有重叠，且写操作与读操作同时执行，读操作可能会返回一部分写入之前的数据和一部分写入之后的数据。

Kconfig 选项 :ref:`CONFIG_SPI_FLASH_USE_LEGACY_IMPL` 可将 spi_flash_* 函数切换至 ESP-IDF V4.0 之前的实现。但是，如果同时使用新旧 API，代码量可能会增多。

即便未启用 :ref:`CONFIG_SPI_FLASH_USE_LEGACY_IMPL`，加密读取和加密写入操作也均使用旧实现。因此，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。也仅有主 flash 支持从 cache 当中读取，因为这是由硬件决定的。

Flash 特性支持情况

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

.. toctree::
    :hidden:

    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：

.. only:: 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。
.. only:: 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 独一无二的 ID 。
.. only:: 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 :doc:`spi_flash_optional_feature`，查看更多信息。

如果有需要，也可以自定义 flash 芯片驱动，参见 :doc:`spi_flash_override_driver` 。

.. toctree::
   :hidden:

   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。

  1. 调用 :cpp:func:`spi_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 及中断等。
  2. 调用 :cpp:func:`spi_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 :cpp:func:`esp_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，多个 flash 芯片可连接到同一总线。但尚不支持在同一个 SPI 总线上使用 esp_flash_* 和 spi_device_* 设备。

SPI Flash 访问 API

如下所示为处理 flash 中数据的函数集：

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 :ref:`分区专用函数 <flash-partition-apis>`。

SPI Flash 容量

SPI flash 容量存储于引导程序映像头部（烧录偏移量为 0x1000）的一个字段。

默认情况下，引导程序写入 flash 时，esptool.py 将引导程序写入 flash 时，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 :envvar:`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

.. toctree::
    :hidden:

    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。更多细节，参见 :doc:`spi_flash_concurrency`。

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。请参考 :doc:`here </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：

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 :doc:`Flash 加密文档 </security/flash-encryption>`，查看详细信息。

内存映射 API

{IDF_TARGET_CACHE_SIZE:default="64 KB"}

{IDF_TARGET_NAME} 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 :doc:`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 esp_spi_flash.h 和 esp_partition.h 中声明：

:cpp:func:`spi_flash_mmap` 和 :cpp:func:`esp_partition_mmap` 的区别如下：

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 函数层目前提供访问锁和延迟的方法。

锁（见 :ref:`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。

另请参考

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，实现细节较为复杂，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 :ref:`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

.. include-build-file:: inc/esp_flash_spi_init.inc

.. include-build-file:: inc/esp_flash.inc

.. include-build-file:: inc/spi_flash_types.inc

分区表 API 参考

.. include-build-file:: inc/esp_partition.inc

Flash 加密 API 参考

.. include-build-file:: inc/esp_flash_encrypt.inc