esp-idf/docs/zh_CN/api-reference/storage/spi_flash.rst

SPI Flash API
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:link_to_translation:`en:[English]`

概述
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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
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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

当前驱动支持以下厂家/型号的 flash 的 32 位地址范围的访问：

1. W25Q256
2. GD25Q256

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
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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
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如下所示为处理 flash 中数据的函数集：

- :cpp:func:`esp_flash_read`：将数据从 flash 读取到 RAM；
- :cpp:func:`esp_flash_write`：将数据从 RAM 写入到 flash；
- :cpp:func:`esp_flash_erase_region`：擦除 flash 中指定区域的数据；
- :cpp:func:`esp_flash_erase_chip`：擦除整个 flash；
- :cpp:func:`esp_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 :ref:`分区专用函数 <flash-partition-apis>`。

SPI Flash 容量
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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
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.. 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`。

.. _flash-partition-apis:

分区表 API
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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：

- :cpp:func:`esp_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；
- :cpp:func:`esp_partition_get`：返回一个结构，描述给定迭代器的分区；
- :cpp:func:`esp_partition_next`：将迭代器移至下一个找到的分区；
- :cpp:func:`esp_partition_iterator_release`：释放 ``esp_partition_find`` 中返回的迭代器；
- :cpp:func:`esp_partition_find_first`：返回描述 ``esp_partition_find`` 中找到的第一个分区的结构；
- :cpp:func:`esp_partition_read`、:cpp:func:`esp_partition_write` 和 :cpp:func:`esp_partition_erase_range` 等同于 :cpp:func:`spi_flash_read`、:cpp:func:`spi_flash_write` 和 :cpp:func:`spi_flash_erase_range`，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
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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
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{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`：将 flash 物理地址区域映射到 CPU 指令空间或数据空间；
- :cpp:func:`spi_flash_munmap`：取消上述区域的映射；
- :cpp:func:`esp_partition_mmap`：将分区的一部分映射至 CPU 指令空间或数据空间；

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

- :cpp:func:`spi_flash_mmap`：需要给定一个 {IDF_TARGET_CACHE_SIZE} 对齐的物理地址；
- :cpp:func:`esp_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
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``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
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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。

.. _esp_flash_os_func:

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


.. _spi-flash-implementation-details:

实现细节
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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
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.. include-build-file:: inc/esp_flash_spi_init.inc
.. include-build-file:: inc/esp_flash.inc
.. include-build-file:: inc/spi_flash_types.inc

.. _api-reference-partition-table:

分区表 API 参考
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.. include-build-file:: inc/esp_partition.inc

Flash 加密 API 参考
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.. include-build-file:: inc/esp_flash_encrypt.inc