第38章 STM32F429的FMC总线应用之是32路高速IO扩展

38.1 初学者重要提示

学习本章节前，务必优先学习第37章，需要对FMC的基础知识和HAL库的几个常用API有个认识。

为什么要做IO扩展，不是已经用了208脚的F429BIT6吗？因为开发板使用了32位SDRAM和RGB888硬件接口，消耗IO巨大，所以必须得扩展了。

扩展的32路高速IO非常实用，且使用简单，只需初始下FMC，32路IO就可以随意使用了。当前的扩展方式只支持高速输出。

FMC总线扩展32路高速IO理解成GPIO的ODR寄存器就很简单了，其实就是一个东西。FMC扩展IO是对地址0x60001000的32bit数据空间的0和1的操作。GPIOA的ODR寄存器是对地址 0x40000000 + 0x18020000 + 0x14 空间的操作。但只能操作16个引脚。

使用总线的优势就在这里了，相当于在GPIOA到GPIOK的基础上，又扩展出GPIOL和GPIOM。

#define PERIPH_BASE            ((uint32_t)0x40000000)

#define D3_AHB1PERIPH_BASE     (PERIPH_BASE + 0x18020000)

#define GPIOA_BASE             (D3_AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)

#define GPIOA                  ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

typedef struct

{

  __IO uint32_t MODER;    /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */

  __IO uint32_t OTYPER;   /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */

  __IO uint32_t OSPEEDR;  /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */

  __IO uint32_t PUPDR;    /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */

  __IO uint32_t IDR;      /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */

  __IO uint32_t ODR;      /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */

  __IO uint16_t BSRRL;    /*!< GPIO port bit set/reset low register,  Address offset: 0x18      */

  __IO uint16_t BSRRH;    /*!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A      */

  __IO uint32_t LCKR;     /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */

  __IO uint32_t AFR[2];   /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */

} GPIO_TypeDef;

38.2 FMC扩展IO硬件设计

扩展IO涉及到的知识点稍多，下面逐一为大家做个说明。

38.2.1 第1步，先来看FMC的块区分配

注，这个知识点在前面第37章的2.3小节有详细说明。

FMC总线可操作的地址范围0x60000000到0xDFFFFFFF，具体的框图如下：

从上面的框图可以看出，NOR/PSRAM/SRAM块区有4个片选NE1，NE2，NE3和NE4，但由于引脚复用，部分片选对应的引脚要用于其他功能，而且要控制的总线外设较多，导致片选不够用。因此需要增加译码器。

38.2.2 第2步，增加译码器及其地址计算

有了前面的认识之后再来看下面的译码器电路：

SN74LVC1G139APWR是双2-4线地址译码器，也就是带了两个译码器。原理图上仅用了一个。下面是139的真值表和引脚功能：

通过上面的原理图和真值表就比较好理解了，真值表的输出是由片选FMC_NE2和地址线FMC_A10、FMC_A11控制。

FMC_NE1 输出低电平：

  FMC_A11（B），FMC_A10（A） = 00时，1Y0输出的低电平，选择的是OLED。

  FMC_A11（B），FMC_A10（A） = 01时，1Y1输出的低电平，选择的是74HC574。

  FMC_A11（B），FMC_A10（A） = 10时，1Y2输出的低电平，选择的是DM9000。

  FMC_A11（B），FMC_A10（A） = 11时，1Y3输出的低电平，选择的是AD7606。

然后我们再计算译码器的地址，注意，这里地址的计算都是按照FMC的32bit访问模式计算的，因为我们的V6程序中是将NE1对应的FMC配置为32bit模式了。

具体FMC的32bit访问模式，16bit访问模式和8bit访问模式的区别在第37章的2.4小节有详细讲解。

32bit模式下，我们计算A10和A11的时候，实际上需要按HADDR12和HADDR13计算的。

如果来算NE1 + HADDR12 + HADDR13的四种组合地址就是如下：

NE2 + HADDR13 + HADDR12 = 0x64000000 +  0<<13 + 0<<12 = 0x64000000

NE2 + HADDR13 + HADDR12 = 0x64000000 +  0<<13 + 1<<12 = 0x64001000

NE2 + HADDR13 + HADDR12 = 0x64000000 +  1<<13 + 0<<12 = 0x64002000

NE2 + HADDR13 + HADDR12 = 0x64000000 +  1<<13 + 1<<12 = 0x64003000

这样一来，原理图里面给的地址就对应上了。同理如果配置为16位模式和8位模式，大家应该也都会计算了。

38.2.3 第3步，FMC的IO扩展部分

先来看下IO扩展的原理图实现，如果不太了解FMC的通信时序和数字逻辑芯片的使用，可能会比较懵，下面逐一为大家说明。

有了这个原理图，首先要做的就是了解74HC574和SN74HC32的功能。

74HC574是一款8位三态D触发器，起到锁存的功能，上升沿触发，对应的真值表如下（L表示低电平，H表示高电平，Z表示高阻）：

SN74HC02是一款2输入或非门，一个芯片带了四组或非门，对应的真值表如下（L表示低电平，H表示高电平）：

有了这个认识后，我们再来看FMC的配置，V6开发板的BSP驱动包里面专门做了一个IO扩展的FMC配置，即文件bsp_fmc_io.c，配置方式是FMC_AccessMode_A，这种模式对应的写时序是：

那么问题来了，我们要实现的功能是通过FMC输出的数据要锁存在扩展IO的输出端，否则FMC时序信号消失了，扩展IO的输出数据也消失了，就起不到控制作用了。所以就用到74HC574的锁存功能，而锁存的实现需要一个上升沿触发，这个上升沿就是通过74HC32输出的。

再结合上面FMC写时序图，在NE片选为低电平，NWE写使能信号为高电平期间，即地址建立时间段ADDSET内，74HC32是输出的高电平。

进入到DATAST数据建立阶段，在NE片选为低电平，NWE写使能信号也为低电平时，74HC32输出低电平。等NEW上升沿的时候，正好是实现1个上升沿的变化。

38.2.4 第4步，举例扩展IO驱动LED应用

进行到这里，再回过头来看LED驱动就比较好理解了。操作LED的亮灭就是操作FMC的数据引脚D8，D9，D10和D11。

对地址0x64001000发送数据就可以了，但是如何对这个地址发送数据呢？ 反映到C语言的实现上就是通过固定地址的指针变量（跟我们操作寄存器是一样的），即

#define  HC574_PORT     *(uint32_t *)0x64001000

如果要点亮LED1（低电平点亮），就是 HC574_PORT = 0x0000 0000。

如果要熄灭LED1就是HC574_PORT = 0x0000 0100，即操作FMC_D8的高低电平即可。

38.3 FMC扩展IO驱动设计

下面将程序设计中的相关问题逐一为大家做个说明。

38.3.1 FMC扩展IO所涉及到的GPIO配置

这里仅需把用到的GPIO时钟、FMC时钟、GPIO引脚和复用配置好即可：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: HC574_ConfigGPIO

*    功能说明: 配置GPIO，FMC管脚设置为复用功能

*    形    参:  无

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

static void HC574_ConfigGPIO(void)

{

/*

    安富莱STM32-V6开发板接线方法：4片74HC574挂在FMC 32位总线上。1个地址端口可以扩展出32个IO

    PD0/FMC_D2

    PD1/FMC_D3

    PD4/FMC_NOE        ---- 读控制信号，OE = Output Enable ， N 表示低有效

    PD5/FMC_NWE        -XX- 写控制信号，AD7606 只有读，无写信号

    PD8/FMC_D13

    PD9/FMC_D14

    PD10/FMC_D15

    PD14/FMC_D0

    PD15/FMC_D1

    PE7/FMC_D4

    PE8/FMC_D5

    PE9/FMC_D6

    PE10/FMC_D7

    PE11/FMC_D8

    PE12/FMC_D9

    PE13/FMC_D10

    PE14/FMC_D11

    PE15/FMC_D12

    PG0/FMC_A10        --- 和主片选FMC_NE2一起译码

    PG1/FMC_A11        --- 和主片选FMC_NE2一起译码

    PG9/FMC_NE2        --- 主片选（OLED, 74HC574, DM9000, AD7606）    

     +-------------------+------------------+

     +   32-bits Mode: D31-D16              +

     +-------------------+------------------+

     | PH8 <-> FMC_D16   | PI0 <-> FMC_D24  |

     | PH9 <-> FMC_D17   | PI1 <-> FMC_D25  |

     | PH10 <-> FMC_D18  | PI2 <-> FMC_D26  |

     | PH11 <-> FMC_D19  | PI3 <-> FMC_D27  |

     | PH12 <-> FMC_D20  | PI6 <-> FMC_D28  |

     | PH13 <-> FMC_D21  | PI7 <-> FMC_D29  |

     | PH14 <-> FMC_D22  | PI9 <-> FMC_D30  |

     | PH15 <-> FMC_D23  | PI10 <-> FMC_D31 |

     +------------------+-------------------+    

*/    

    GPIO_InitTypeDef gpio_init_structure;

    /* 使能 GPIO时钟 */

    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();

    __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

    __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();

    __HAL_RCC_GPIOI_CLK_ENABLE();

    /* 使能FMC时钟 */

    __HAL_RCC_FMC_CLK_ENABLE();

    /* 设置 GPIOD 相关的IO为复用推挽输出 */

    gpio_init_structure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;

    gpio_init_structure.Pull = GPIO_PULLUP;

    gpio_init_structure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;

    gpio_init_structure.Alternate = GPIO_AF12_FMC;

    /* 配置GPIOD */

    gpio_init_structure.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 |

                                GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_14 |

                                GPIO_PIN_15;

    HAL_GPIO_Init(GPIOD, &gpio_init_structure);

    /* 配置GPIOE */

    gpio_init_structure.Pin = 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;

    HAL_GPIO_Init(GPIOE, &gpio_init_structure);

    /* 配置GPIOG */

    gpio_init_structure.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_9;

    HAL_GPIO_Init(GPIOG, &gpio_init_structure);

    /* 配置GPIOH */

    gpio_init_structure.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12

                        | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15;

    HAL_GPIO_Init(GPIOH, &gpio_init_structure);

    /* 配置GPIOI */

    gpio_init_structure.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_6

                        | GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;

    HAL_GPIO_Init(GPIOI, &gpio_init_structure);

}

38.3.2 FMC扩展IO时钟源选择

STM32F429的FMC是采用的HCLK时钟，位于AHB总线上。比如主频设置的是168MHz，那么FMC时钟也是168MHz。

38.3.3 时序配置（重要）

这里要补充两个重要的知识点，74HC574的CP端接收到上升沿触发到Qn输出的时间参数：

通过时序图和对应的参数要了解到以下几点：

  tpd传输延迟在这里等效于tPHL和tPLH。

  V6开发板的74HC574有三片是3.3V供电，另外一片是5V供电。参数表格里面没有给3.3V供电时的参数，也没有最小值。

了解了74HC574，再来看SN74HC32：

通过时序图和对应的参数要了解到以下几点：

  tpd传输延迟在这里等效于tPHL和tPLH。

  tt过渡时间等效于tr上升沿时间和tf下降沿时间。

对应74HC574和74HC02的时序参数有个了解后，继续往下看：

当写使能信号NWE出现上升降沿后，74HC32非门就会输出一个上升沿，然后触发74HC574做锁存。此时我们要考虑到一个重要的知识点，就是使用的数字逻辑芯片有个传输延迟问题，也就是要我们要保证74HC02的tpd传输延迟时间 + 74HC02的tr传输延迟时间 + 74HC574的tpd传输延迟时间的这段时间内，数据总线上要有数据，而这种模式下，NEW上升沿后，仅有1个HCLK时钟周期了，所以只能加大两个连续读数据的时间间隔和地址建立时间（其实是下一次的地址建立时间，可以和两个连续读的时间段放在一起）。实际测试FMC频率在168MHz的情况下，3-6个FMC时钟周期就已经可正常使用。