STM32CubeMX + HAL 库：用FSMC接口与IS62WV51216芯片实现stm32外部SRAM扩展

1. 概述

1.1 实验目的  

        本实验旨在通过 STM32CubeMX 配置 FSMC（Flexible Static Memory Controller）外设，并使用 HAL 库驱动 IS62WV51216（512K x 16 位并行 SRAM），实现 MCU 与外部 SRAM 之间的高速数据读写操作。实验演示了外部 SRAM 的引脚连接与地址映射、MCU 向外部 SRAM 写入数据、以及从外部 SRAM 读取数据的全过程，并提供完整的示例代码，帮助读者深入理解 STM32 FSMC 接口的工作机制，以及并行静态存储器的数据访问方法。

        通过本实验，读者不仅可以掌握 FSMC 外设的基本配置流程，在stm32中的存储空间地址映射，还能够熟悉 IS62WV51216 的存储结构、访问时序及应用方法。这对于日后在嵌入式系统中扩展高速、大容量的外部存储（如数据缓存、图像缓存、离线数据存储等）提供了技术积累和实践基础，具有良好的工程指导意义。

1.2 FSMC

        FSMC（Flexible Static Memory Controller，灵活的静态存储器控制器） 是 STM32 系列 MCU 内置的一种专用外设，用于连接和管理外部静态存储器。它可以与多种存储器类型直接接口，包括 SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash 和 NAND Flash，从而显著扩展 MCU 的存储能力。

        在嵌入式系统中，MCU 片上的 FLASH 和 SRAM 资源相对有限，通常只能满足一般控制类应用。但在需要处理大量数据的场景（如图像处理、缓存管理、大型数据存储）中，内部存储往往不够用。这时，FSMC 就发挥了重要作用——它为 MCU 提供了一条高速通道，使外部静态存储器能够像内部存储器一样被直接访问。

1.2.1 工作原理

        FSMC 位于 STM32 的 AHB 总线上，它的主要功能是将总线上的数据和指令，转换成目标存储器所需的读写信号和时序控制。具体来说：

1. 总线协议转换：将 AHB 总线的数据传输协议，转换为外部存储器（如 NOR Flash、SRAM）的访问协议。

2. 时序控制：根据不同存储器的特性，自动生成片选信号、读写使能信号以及地址、数据有效时间，确保可靠通信。

3. 透明访问：在 MCU 程序中，外部存储器被映射到特定的地址空间，用户无需手动控制读写时序，只需通过指针访问即可像操作内部 SRAM 一样使用。

        FSMC（Flexible Static Memory Controller）会将外部 SRAM 映射到 Cortex-M3 的片上存储器地址空间中。当 CPU 对该地址范围发出读/写指令时，FSMC 会自动产生所需的地址、数据和控制信号（如片选、读写信号等），并按照配置的时序与外部 SRAM 通信。对 CPU 来说，这个过程与访问内部 RAM 没有区别，因此开发者可以直接通过指针或变量访问外部存储器，无需额外的总线驱动代码。

        因此，借助 FSMC，访问外部 SRAM 就像访问内部 RAM 一样简单，无需编写复杂的驱动程序来传送地址和数据。只需定义一个变量，并将其存储地址映射到 FSMC 管理的外部 SRAM 区域，即可像操作普通内存一样完成读写。

        需要注意的是，FSMC 仅支持静态存储器（Static Memory），不支持动态存储器（如 SDRAM），因为动态存储器需要定时刷新等复杂控制，这超出了 FSMC 的设计范围。

1.2.2 寻址空间1

        在 STM32 的 32 位地址总线中，最高位的部分用于标识存储器所属的区域及其子区块。具体来说：

• 前 3 位（A[31:29]）用于表示 Block 号，总共有 8 个 Block（Block0~Block7）。

• 第 4 位（A[28]）用于表示 Bank 号，区分同一 Block 内的 Bank0 和 Bank1。

• 第 5、6 位（A[27:26]）用于表示 NOR/PSRAM 区编号，同一 Bank 下可以有 4 个 NOR/PSRAM 设备。

• 剩余的 26 位（A[25:0]）为 FSMC 的地址总线，用于在选定的 NOR/PSRAM 设备中进行寻址。

        这样分配的结果是，高 6 位地址线用于确定 Block、Bank、以及 NOR/PSRAM 设备，而低 26 位地址线才真正用于外部存储器的寻址。

1.2.3 寻址空间2

        这里有个疑问困惑作者很久，在 STM32 的 FSMC 控制器中，Bank2, Bank3 对应的 NAND 区地址空间虽然在理论上分配了高达 256MB 的地址范围，但实际上 FSMC 只有 26 位地址线用于地址映射，最大线性寻址能力为 64MB ，其他地址空间如何访问呢？ FSMC的地址线是不是不够啊？

• FSMC 通过 26 根地址线最多能直接映射 64MB 的线性地址空间，这适用于 NOR Flash 或 SRAM 这类线性寻址存储器。

• 但对于 NAND Flash，访问机制是分阶段的：

  • 26 位地址并不是直接映射物理的“字节地址”，而是拆分成多次发送的行地址（Row Address）和列地址（Column Address）。

  • FSMC 控制器根据 NAND 协议，在不同阶段分别传输这两个地址部分，实现对 NAND 更大容量（如256MB甚至更大）的寻址。

• 也就是说，FSMC 的 26 位地址线更多是做为“逻辑地址窗口”，结合命令和地址传输流程，实现对 NAND 大容量存储的访问。

1.2.4 引脚说明

1.3 IS62WV51216

        IS62WV51216 是一款高速、低功耗的静态随机存取存储器（SRAM），容量为512K×16位，约等于1MB字节存储空间。该芯片采用16位宽并行数据总线，支持高速随机读写，无需刷新，访问稳定且响应迅速。工作电压为3.3V，专为低功耗设计，适合电池供电及多种嵌入式应用。凭借高效的数据传输能力和标准并行接口，IS62WV51216 兼容性强，易于与各种MCU和FPGA集成，广泛应用于嵌入式系统的高速缓存存储、通信设备的数据缓冲以及工业控制系统的临时数据存储，特别适合需要快速随机访问且容量适中的存储需求场景。

1.3.1 引脚连线

1.3.2 寻址原理

        由于IS62WV51216的存储单元为16位宽度，即每个地址对应两个字节，而STM32的寻址体系是以字节（8位）为单位，一个地址对应一个字节。为了兼容这种16位宽度的外部存储器，FSMC的AHB总线地址与外部存储器地址并未直接一一对应，而是通过地址位的错位映射来实现。在实际连接中，FSMC会使用AHB总线地址信号的高25位HADDR[25:1]来产生外部存储器的地址信号FSMC_A[24:0]。无论外部存储器是8位还是16位宽，FSMC的地址线FSMC_A始终与外部存储器的地址线A保持一一对应关系，从而保证数据访问的准确性和兼容性。

        在16位数据宽度的外部存储器访问中，FSMC的地址线最低位FSMC_A[0]会直接连接到外部存储器的最低地址线A0，实现地址对齐。但STM32 AHB总线的最低位地址HADDR[0]不会直接传递到FSMC地址线上。相反，HADDR[0]被用作字节使能控制信号的触发条件，用来控制FSMC的低位和高位字节屏蔽线（NBL0 和 NBL1），以实现对16位存储器中单字节的精确访问。这样，FSMC通过地址线和字节屏蔽线的配合，既支持16位数据访问，又兼顾了字节级别的读写需求。

1.3.3 工作模式

        FSMC（灵活静态存储控制器）支持 四种异步时序模型，分别为 模式1、模式A、模式B、模式C（部分资料表述为模式A-D，本质一致），主要区别在于控制信号（如读/写使能）的时序生成方式，以适配不同外部存储器的时序要求。

        在STM32CubeMX中配置FSMC时，根据存储器类型自动选择基础时序模型：

• SRAM/PSRAM：默认使用模式1（FSMC_BCRx寄存器中MTYP=0x0或0x01），适用于异步读写。
• NOR Flash：默认使用模式A（MTYP=0x10），支持同步突发访问（需配置CLKDIV/DATLAT参数）。
• NAND Flash：需使用独立的NAND控制器（Bank2/3），与NOR/SRAM模式无关。

1.3.4 参数配置

模式1需要配置的主要参数包括：

2. STM32CubeMx配置

2.1 SYS配置

作者使用的JLink调试下载器，所以选择serial wire，如果用STlink也一样。

2.2 RCC配置

2.3 USART配置

2.4 FSMC配置

2.5 project配置

3. keil MDK设置

3.1 targe设置

3.2 debug设置

作者用的JLink故选这个选项，如果读者是STLink就选对应的选项即可

4. VSCode编码

4.1 usart重定向

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file    usart.c
  * @brief   This file provides code for the configuration
  *          of the USART instances.
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "usart.h"

/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

UART_HandleTypeDef huart1;

/* USART1 init function */

void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1)
  {
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */

  /* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
    /* USART1 clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**USART1 GPIO Configuration
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    /* USART1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 4, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 1 */

  /* USER CODE END USART1_MspInit 1 */
  }
}

void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{

  if(uartHandle->Instance==USART1)
  {
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END USART1_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

    /**USART1 GPIO Configuration
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX
    */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10);

    /* USART1 interrupt Deinit */
    HAL_NVIC_DisableIRQ(USART1_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspDeInit 1 */

  /* USER CODE END USART1_MspDeInit 1 */
  }
}

/* USER CODE BEGIN 1 */
int fputc(int ch, FILE * file){ //打印重定向
  HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,1000);
  return ch;
}
/* USER CODE END 1 */

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file    usart.h
  * @brief   This file contains all the function prototypes for
  *          the usart.c file
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef __USART_H__
#define __USART_H__

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h" 
/* USER CODE END Includes */

extern UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN Private defines */

/* USER CODE END Private defines */

void MX_USART1_UART_Init(void);

/* USER CODE BEGIN Prototypes */

/* USER CODE END Prototypes */

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif /* __USART_H__ */

4.2 main文件

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "fsmc.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t v1_1 __attribute__((at(0x68000000)));
uint8_t v1_2 __attribute__((at(0x68000004)));
uint16_t v2_1 = 20;
uint16_t v2_2 = 21;

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_FSMC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("hello is62wv51216!!!\n");
  v1_1 = 10;
  v1_2 = 11;
  // uint8_t v4 __attribute__((at(0x6807ffff)));
  uint8_t v3_1 __attribute__((at(0x68000008)));
  v3_1 = 30;
  uint8_t v3_2 __attribute__((at(0x6800000A)));
  v3_2 = 31;
  uint8_t v4_1 = 40;
  uint8_t v4_2 = 41;

  printf("v1_1 = %d, @%p\n",v1_1,&v1_1);
  printf("v1_2 = %d, @%p\n",v1_2,&v1_2);
  printf("v2_1 = %d, @%p\n",v2_1,&v2_1);
  printf("v2_2 = %d, @%p\n",v2_2,&v2_2);
  printf("v3_1 = %d, @%p\n",v3_1,&v3_1);
  printf("v3_2 = %d, @%p\n",v3_2,&v3_2);
  printf("v4_1 = %d, @%p\n",v4_1,&v4_1);
  printf("v4_2 = %d, @%p\n",v4_2,&v4_2);


  uint8_t *p = (uint8_t *)0x68000001;
  *p = 50;
  printf("*p = %d, @%p\n",*p,p);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

5. 实验验证

5.1 实现现象

运行上述代码，串口打印结构如下所示：

[18:13:34.226]收←◆hello is62wv51216!!!
v1_1 = 10, @68000000
v1_2 = 11, @68000004
v2_1 = 20, @20000000
v2_2 = 21, @20000002
v3_1 = 30, @20000498
v3_2 = 31, @2000049c
v4_1 = 40, @200004a0
v4_2 = 41, @200004a4
*p = 50, @68000001

5.2 实验结论与说明

5.2.1 全局变量指定地址空间

        在使用外部扩展 SRAM 进行读写时，可以通过 __attribute__((at()))等方式，将变量固定在指定的内存地址中。
        地址必须位于 FSMC 映射的外部 SRAM 地址范围内。例如，本实验的外部 SRAM 芯片 CE 引脚连接到 STM32 的 NE3，因此被映射到 Block3 → Bank1-3（NOR/PSRAM 子区3），起始地址为 0x6800_0000，结束地址为 0x6BFF_FFFF，理论映射空间为 64MB（26条地址线）。
        不过，本实验的 IS62WV51216 芯片与 FSMC 实际只连接了 19 条地址线（A0~A18），容量为 512K × 16bit = 1MB 字节，所以有效访问地址范围为 0x6800_0000 ~ 0x6807_FFFF（512Kbit × 2Byte = 1MB）。在此范围内定义的全局变量，数据将存储在外部 SRAM 中。

5.2.2 直接定义全局变量（未指定地址）

        若不显式指定地址，编译器会将全局变量分配到片内 SRAM（Block1），其地址范围为 0x2000_0000 ~ 0x2000_FFFF，容量为 64KB，本实验结果是0x2000 0000 和0x 2000 0002 均符合这个结论。

5.2.3 局部变量指定外部地址空间

        局部变量无法通过 __at 或类似方式固定到外部 SRAM，即使指定了地址，也会被分配到片内 SRAM 中其地址是0x2000 0498 和 0x2000 049c 在 0x2000_0000 ~ 0x2000_FFFF范围中。

5.2.4 直接定义局部变量

        未指定地址的局部变量默认分配到片内 SRAM（Block1，64KB）其地址是0x2000 04a0和 0x2000 04a4 在 0x2000_0000 ~ 0x2000_FFFF范围中。

5.2.5 定义指针并访问片外地址

        可以通过定义指针变量指向外部 SRAM 地址（例如 (uint16_t*)0x68000000），然后通过指针读写的方式访问片外存储器。

5.3 猜想

如果在不指定地址的情况下，片内地址空间使用完了，是否会自动把数据存放在片外空间中呢，读者可以自行设计程序进行验证，并把结论在评论区告诉我。