第二十六章 HyperRAM实验

STM32H7R7L8H6H自带620K字节的SRAM，对一般应用来说，已经足够了，不过在一些对内存要求高的场合，STM32H7R7自带的这些内存就不够用了。比如使用LTDC驱动RGB 屏、跑算法或者跑GUI等，就可能不太够用，所以STM32H7R7开发板根据不同版本板载了两种不同容量规格的HyperRAM，分别为8MB和32MB，满足大内存使用的需求。

本章，我们将使用STM32H7R7来驱动开发板板载的HyperRAM，并通过XSPI的内存映射功能，将HyperRAM作为STM32H7R7内存来使用，并测试其容量。本章分为如下几个部分：

26.1 HyperRAM简介

26.2 硬件设计

26.3 程序设计

26.4 下载验证

26.1 HyperRAM简介

本章我们将通过经过STM32H7R7的XSPI接口，来驱动开发板板载的HyperRAM芯片，本节我们将重点介绍HyperRAM相关知识点，关于XSPI的相关知识点，会在后续的章节中进行介绍。

26.1.1 HyperRAM简介

HyperRAM是具备HyperBus接口的高速CMOS自刷新DRAM。其存储阵列的内部结构类似于DRAM，而外在行为则与SRAM相似，这意味着HyperRAM能够再外部主机未进行读取或写入操作时，从内部实现DRAM阵列的刷新操作。STM32H7R7的XSPI接口支持HyperBus协议，因此，我们可以外挂 HyperRAM，从而大大降低外扩内存的成本。以开发板板载的32MB容量的HyperRAM为例，其型号为W958D8NBY，其特点如下：

l 接口：HyperBus

l 供电电压：1.7V-2.0V

l 最大时钟频率：250MHz

l DDR模式下可达500MB/s

l 支持单端时钟或差分时钟两种模式

l 具有片选信号

l 8位数据总线

l 硬件复位信号

l 读写数据选通信号

W958D8NBY的内部结构框图如图26.1.1.1所示：

图26.1.1.1 W958D8NBY内部结构框图

接下来，我们结合图26.1.1.1，对HyperRAM的几个重要知识点进行介绍。

（1）信号线

HyperRAM使用HyperBus协议来传输，HyperBus是一种低信号计数、双数据速率（DDR）接口，可实现高速读写吞吐量。DDR协议在DQ输入/输出信号上每个时钟周期传输两个数据字节。HyperBus上的读写事务由内部HyperRAM阵列上的16位宽、一个时钟周期的数据传输。

命令、地址和数据信息通过8个DQ[7:0]信号传输。时钟（CK）用于从接收到的DQ信号上对信息进行捕获。

HyperRAM信号线如表26.1.1.1所示：

表26.1.1.1 HyperRAM信号线

（2）存储空间

HyperRAM的存储单元是以阵列的形式排列的，阵列大小（密度）可以从行地址和列地址的系统地址位的总数来确定，这些地址由列表中的“行地址位计数”和“列地址位计数”字段表示。

W958D8NBY 的存储结构为： 256Mb设备内的行数有32768 行，每行有64个半页，每半页有8个字，每列有512个字（1K字节）。半页地址（Half-Page Address）也称为上列地址，Word of HP Address称为下列地址。如下图26.1.1.2和图26.1.1.3所示：

图26.1.1.2 存储空间地址映射（16位字）

图26.1.1.3 存储空间地址映射（16位字）

HyperRAM设备的容量可由上图26.1.1.3中行和列的地址总线位数来确定，上图26.1.1.3中，Row Address使用地址总线为A23~A9，共15个行地址位，而Column Address使用地址总线为A8~A0，共9个列地址位，行地址位和列地址位一共为24个地址位，那么HyperRAM设备的容量则为224=16M（16位字）=32MB。

（3）寄存器空间

寄存器空间用于外部主机获取HyperRAM设备信息和配置HyperRAM设备，例如获取W958D8NBY的设备ID或配置W958D8NBY的差分时钟模式等。如下图26.1.1.4所示：

图26.1.1.4 寄存器空间地址映射

上图中寄存器的功能如下：

Identification Register 0：读取ID寄存器0

Identification Register 1：读取ID寄存器1

Configuration Register 0 Read：读取配置寄存器0

Configuration Register 0 Write：写入配置寄存器0

Configuration Register 1 Read：读取配置寄存器1

Configuration Register 1 Write：写入配置寄存器1

了解了寄存器的功能之后，那图26.1.1.4中寄存器的地址怎么看呢？图26.1.1.4中的System Address表示的就是外部主机访问HyperRAM设备时，需要访问的地址，该地址是一个32位的地址，这么一来可以由图26.1.1.4总结出各个寄存器对应的32位系统地址，如下表26.1.1.2所示：

表26.1.1.2 HyperRAM寄存器32位系统地址

可以看到，读取配置寄存器0和写入配置寄存器0的32位系统地址都是0x00000800，因此，外部主机可以通过0x00000800对配置寄存器0进行读取和写入的操作，同理，外部主机可通过0x00000801对配置寄存器1进行读取和写入操作。

但是需要特别注意的是，如果在STM32H7R7上直接使用表26.1.1.2中的32位系统地址访问HyperRAM是无法得到想要的结果的，其原因在STM32H7R7的参考手册中有说明，如下图所示：

图26.1.1.5 STM32H7R7 XSPI访问HyperRAM注意事项

如图26.1.1.5所示，某些存储器会规定每个地址对应1个16位的值，但是STM32H7R7的XSPI规定每个地址对应1个8位的值，因此，在STM32H7R7使用XSPI访问HyperRAM的寄存器时，需要将对应寄存器的系统地址在软件上做乘以2的处理。

了解了寄存器的地址及其注意事项后，下面来看看各个寄存器的作用。

读取ID寄存器0和读取ID寄存器1，这两个寄存器用于读取HyperRAM的ID，如下图26.1.1.6和图26.1.1.7所示：

图26.1.1.6 读取ID寄存器0描述

图26.1.1.7 读取ID寄存器1描述

由上图26.1.1.6和图26.1.1.7可知，HyperRAM的ID0因该为0x0E86，HyperRAM的ID1应该为0x0001。

配置寄存器0可用于配置HyperRAM的深度睡眠模式、驱动能力、初始化时序、突发长度等，在本章实验中用不到配置寄存器0，因此这里不过多介绍。

配置寄存器1可用于配置HyperRAM的时钟模式、混合睡眠模式、阵列刷新模式、刷新间隔等参数，在本章实验中主要使用该寄存器配置使能HyperRAM的差分时钟模式，其余的内容本章不过多介绍。HyperRAM的差分时钟模式由配置寄存器1的bit6进行配置，当bit6被置1时，HyperRAM使用单端时钟模式，这也是HyperRAM复位后的默认模式，当bit6被清0时，HyperRAM使用差分始终模式，差分时钟模式有着更好的抗干扰能力，但需要多使用1个引脚和外部主机的支持。

26.1.2 XSPI接口简介

HyperRAM的驱动使用的是STM32H7R7的XSPI接口，对于该接口的详细介绍，请读者跳转到后续的《XSPI实验》小节中进行查阅，本小节不重复介绍。

26.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机后，显示提示信息，然后按下 KEY0 按键，即测试外部 SDRAM容量大小并显示在 LCD 上。按下 KEY1 按键，即显示预存在外部 SDRAM 的数据。DS0 指示程序运行状态。

本实验用到的硬件资源有：

1）指示灯 DS0

2） KEY0 和 KEY1 按键

3）串口

4） TFTLCD 模块

5） W958D8NBY

这些我们都已经介绍过（ W958D8NBY 与 STM32H7R7 的各 IO 对应关系，请参考光盘原理图），接下来我们开始软件设计。

26.3 程序设计

26.3.1 程序解析

1. HyperRAM驱动代码

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。HyperRAM驱动源码包括两个文件：hyperram.c和hyperram.h。

hyperram.h头文件只有函数声明，就不解释了。下面我们直接解析hyperram.c的程序，该函数的实现代码如下：

/**
 * @brief 初始化HyperRAM
 * @param 无
 * @retval 初始化结果
 * @arg0:  初始化成功
 * @arg1:  初始化失败
 */
uint8_t hyperram_init(void)
{
    RCC_PeriphCLKInitTypeDef rcc_periph_clk_init_struct = {0};
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};
    XSPIM_CfgTypeDef xspim_cfg_struct = {0};
    XSPI_HyperbusCfgTypeDef xspi_hyperbus_cfg_struct = {0};
    
    /* 配置XSPI时钟源 */
    rcc_periph_clk_init_struct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_XSPI2;
    rcc_periph_clk_init_struct.Xspi2ClockSelection = RCC_XSPI2CLKSOURCE_PLL2S;
    if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&rcc_periph_clk_init_struct) != HAL_OK)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 使能时钟 */
    __HAL_RCC_XSPIM_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_XSPI2_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPION_CLK_ENABLE();
    
    /* 初始化XSPIM引脚 */
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | 
GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9
| GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    gpio_init_struct.Alternate = GPIO_AF9_XSPIM_P2;
    HAL_GPIO_Init(GPION, &gpio_init_struct);
    
    /* 初始化复位引脚 */
    gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_12;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPION, &gpio_init_struct);
    
    /* 初始化XSPI */
    g_xspi_handle.Instance = XSPI2;
    g_xspi_handle.Init.FifoThresholdByte = 4;
    g_xspi_handle.Init.MemoryMode = HAL_XSPI_SINGLE_MEM;
    g_xspi_handle.Init.MemoryType = HAL_XSPI_MEMTYPE_HYPERBUS;
    g_xspi_handle.Init.MemorySize = HAL_XSPI_SIZE_256MB;
    g_xspi_handle.Init.ChipSelectHighTimeCycle = 2;
    g_xspi_handle.Init.FreeRunningClock = HAL_XSPI_FREERUNCLK_DISABLE;
    g_xspi_handle.Init.ClockMode = HAL_XSPI_CLOCK_MODE_0;
    g_xspi_handle.Init.WrapSize = HAL_XSPI_WRAP_32_BYTES;
    g_xspi_handle.Init.ClockPrescaler = 2 - 1;
    g_xspi_handle.Init.SampleShifting = HAL_XSPI_SAMPLE_SHIFT_NONE;
    g_xspi_handle.Init.DelayHoldQuarterCycle = HAL_XSPI_DHQC_DISABLE;
    g_xspi_handle.Init.ChipSelectBoundary = HAL_XSPI_BONDARYOF_NONE;
    g_xspi_handle.Init.MaxTran = 0;
    g_xspi_handle.Init.Refresh = 0;
    g_xspi_handle.Init.MemorySelect = HAL_XSPI_CSSEL_NCS1;
    if (HAL_XSPI_Init(&g_xspi_handle) != HAL_OK)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 配置XSPIM */
    xspim_cfg_struct.nCSOverride = HAL_XSPI_CSSEL_OVR_NCS1;
    xspim_cfg_struct.IOPort = HAL_XSPIM_IOPORT_2;
if (HAL_XSPIM_Config(&g_xspi_handle, &xspim_cfg_struct, 
HAL_XSPI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 配置HyperBus参数 */
    xspi_hyperbus_cfg_struct.RWRecoveryTimeCycle = 7;
    xspi_hyperbus_cfg_struct.AccessTimeCycle = 7;
    xspi_hyperbus_cfg_struct.WriteZeroLatency = HAL_XSPI_LATENCY_ON_WRITE;
    xspi_hyperbus_cfg_struct.LatencyMode = HAL_XSPI_FIXED_LATENCY;
if (HAL_XSPI_HyperbusCfg(&g_xspi_handle, &xspi_hyperbus_cfg_struct, 
HAL_XSPI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 硬件复位HyperRAM */
    hyperram_hardware_reset();
    
    /* 检查HyperRAM的ID */
    if (hyperram_check_identification() != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 配置HyperRAM差分时钟模式 */
    if (hyperram_config_differential_clock() != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    /* 配置HyperRAM内存映射 */
    if (hyperram_memory_mapped() != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    return 0;
}

该部分是HyperRAM的初始化函数，可以看到，整个初始化流程主要分为四个步骤。分别为：初始化XSPI接口、复位HyperRAM、校验HyperRAM的ID、配置HyperRAM的差分时钟模式、配置XSPI的内存映射模式，其中关于XSPI的初始化和使用在后续的章节中会进行讲解，本章主要介绍HyperRAM的使用。

复位HyperRAM的函数如下所示：

/**
 * @brief 硬件复位HyperRAM
 * @param 无
 * @retval 无
 */
static void hyperram_hardware_reset(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPION, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(GPION, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
}

该函数比较简单，就是对HyperRAM进行引脚复位。

接下来是校验HyperRAM的设备ID，其函数如下所示：

/**
 * @brief 检查HyperRAM的ID
 * @param 无
 * @retval 检查结果
 * @arg  0: 检查成功
 * @arg  1: 检查失败
 */
static uint8_t hyperram_check_identification(void)
{
    uint16_t data;
    
    if (hyperram_read_register(HYPERRAM_IDENTIFICATION_REGISTER_0, &data) != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    if (data != HYPERRAM_IDENTIFICATION_0)
    {
     return 1;
    }
    
    if (hyperram_read_register(HYPERRAM_IDENTIFICATION_REGISTER_1, &data) != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    if (data != HYPERRAM_IDENTIFICATION_1)
    {
     return 1;
    }
    
    return 0;
}

前面的章节中也说到，读取ID寄存器0和读取ID寄存器1可以读取HyperRAM设备的ID，该函数就是读取这两个寄存器检查HyperRAM设备的ID的。

接下来是配置HyperRAM的差分时钟模式，我们的开发板是支持HyperRAM的差分时钟模式的，如果不想使用HyperRAM的差分时钟模式，也可以跳过此步骤，使用HyperRAM默认的单端时钟模式，配置HyperRAM差分时钟模式的函数如下所示：

/**
 * @brief 配置HyperRAM差分时钟模式
 * @param 无
 * @retval 配置结果
 * @arg  0: 配置成功
 * @arg  1: 配置失败
 */
static uint8_t hyperram_config_differential_clock(void)
{
    uint16_t data;
    
    if (hyperram_read_register(HYPERRAM_CONFIGURATION_REGISTER_1, &data) != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    data &= ~(1UL << 6);
    if (hyperram_write_register(HYPERRAM_CONFIGURATION_REGISTER_1, data) != 0)
    {
     return 1;
    }
    
    return 0;
}

前面的章节中也说到，配置寄存器1的bit6可用于配置HyperRAM设备的时钟模式，该函数就是通过读-修改-写的方式将HyperRAM配置寄存器1的bit6清0来使能HyperRAM设备的差分时钟模式的。

最后便是配置XSPI来开启内存映射模式，在开启内存映射模式后，STM32H7R7访问HyperRAM便可像访问内存SRAM一样通过寻址的方式进行访问，我们开发板上的HyperRAM连接到STM32H7R7的XSPI2接口上，XSPI2开启内存映射后的基地址为0x70000000，因此，只要访问0x70000000地址中的数据就相当于访问HyperRAM中的数据了。

2. main.c代码

在main函数之前，我们添加了hyperram_test这个函数，代码如下：

/**
 * @brief   测试HyperRAM容量
 * @param   x: LCD上显示提示信息的起始X坐标
 * @param   y: LCD上显示提示信息的起始Y坐标
 * @retval  无
 */
void hyperram_test(uint16_t x, uint16_t y)
{
    uint32_t i;
    uint32_t temp = 0;
    uint32_t sval = 0;
    
    lcd_show_string(x, y, 180, y + 16, 16, "HyperRAM Test:      KB", RED);
    
    /* 每间隔16KB写入1字数据 */
    for (i = 0; i < HYPERRAM_SIZE; i += 0x4000UL)
    {
        *(volatile uint32_t *)(HYPERRAM_BASE_ADDR + i) = temp++;
    }
    
    /* 每间隔16KB读取1字数据进行校验 */
    for (i = 0; i < HYPERRAM_SIZE; i += 0x4000UL)
    {
        temp = *(volatile uint32_t *)(HYPERRAM_BASE_ADDR + i);
        
        if ((temp != 0) && (temp <= sval))
        {
            break;
        }
        else
        {
            sval = temp;
        }
        
        lcd_show_num(x + 15 * 8, y, (temp + 1) * 16, 5, 16, BLUE);
        printf("HyperRAM Capacity: %dKB\r\n", (temp + 1) * 16);
    }
}

该函数用于测试外部 HyperRAM的容量大小，并显示其容量。

main函数代码如下：

int main(void)
{
    uint8_t t = 0;
    uint8_t key;
    uint32_t i;
    
    sys_mpu_config();                   /* 配置MPU */
    sys_cache_enable();                 /* 使能Cache */
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(300, 6, 2);    /* 配置时钟，600MHz */
    delay_init(600);                    /* 初始化延时 */
    usart_init(115200);                 /* 初始化串口 */
    led_init();                         /* 初始化LED */
    key_init();                         /* 初始化按键 */
    lcd_init();                         /* 初始化LCD */
    hyperram_init();                    /* 初始化HyperRAM */
    
    lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "HyperRAM TEST", RED);
    lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0: Test HyperRAM", RED);
    lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "KEY1: Test Data", RED);
    
    /* 准备测试数据 */
    for (i = 0; i < (sizeof(buffer) / sizeof(uint32_t)); i++)
    {
        buffer[i] = i;
    }
    
    while (1)
    {
        key = key_scan(0);
        if (key == KEY0_PRES)
        {
            /* 测试HyperRAM容量 */
            hyperram_test(30, 170);
        }
        else if (key == KEY1_PRES)
        {
            /* 读取测试数据 */
            for (i = 0; i < (sizeof(buffer) / sizeof(uint32_t)); i++)
            {
                lcd_show_num(30, 190, buffer[i], 7, 16, BLUE);
                printf("buffer[%d]: %d\r\n", i, buffer[i]);
            }
        }
        
        if (++t == 20)
        {
            t = 0;
            LED0_TOGGLE();
        }
        
        delay_ms(10);
    }
}

此段代码，我们定义了一个超大数组 buffer，我们指定该数组定义在外部 HyperRAM 起始地址（__attribute__((section(".bss.ARM.__at_0x70000000")))），该数组用来测试外部 HyperRAM 数据的读写。注意该数组的定义方法，是我们推荐的使用外部 HyperRAM 的方法。

另外， hyperram_test 函数和 main 函数，我们都加入了 printf 输出结果，对于没有 MCU屏模块的朋友来说，可以打开串口调试助手，观看实验结果，软件部分就给大家介绍到这里。

26 .4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到STM32开发板，得到如图26.4.1所示：

图26.4.1 程序运行效果图

此时，我们按下KEY0，就可以在LCD上看到内存测试的画面，同样，按下KEY1，就可以看到LCD显示存放在数组buffer里面的测试数据，如图26.4.2所示：

图26.4.2 外部HyperRAM测试界面

对于没有MCU屏模块的朋友，我们可以用串口来检查测试结果，如图26.4.3所示:

图26.4.3 串口观看测试结果

ITPub博客

《STM32H7R7开发指南 V1.1 》第二十六章 HyperRAM实验

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