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SPI Flash API
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:link_to_translation:`en:[English]`
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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)。
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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。
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.. note::
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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 。
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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。
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.. note::
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ESP-IDF V4.0 之后的 flash API 不再是 *原子* 的。因此,如果读操作执行过程中发生写操作,且读操作和写操作的 flash 地址出现重叠,读操作返回的数据可能会包含旧数据和新数据 (新数据为写操作更新产生的数据)。
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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。
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即使未启用 :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。硬件的限制也决定了仅有主 flash 支持从 cache 当中读取。
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Flash 功能支持情况
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支持的 Flash 列表
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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。
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当前驱动支持以下厂家/型号的 flash 的四线模式 (QIO/QOUT):
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1. ISSI
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2. GD
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3. MXIC
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4. FM
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5. Winbond
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6. XMC
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7. BOYA
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Flash 可选的功能
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.. toctree::
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:hidden:
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spi_flash_optional_feature
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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:
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.. only:: esp32s3
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- OPI flash - 表示 Flash 支持 8 线模式。
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- 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。
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.. only:: esp32s3
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- 高性能 (HPM) 模式 - 表示 flash 工作频率大于 80MHz 。
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- flash 的私有ID (unique ID) - 表示 flash 支持它自己的 64-bits 独有 ID 。
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.. only:: esp32c3
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- 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。
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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。
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您也可以自定义 flash 芯片驱动。请参阅 :doc:`spi_flash_override_driver`,查看详细信息。
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.. toctree::
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:hidden:
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自定义 flash 芯片驱动 <spi_flash_override_driver>
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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,步骤如下:
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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、中断等。
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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。
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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。
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.. note:: 当前,已支持多个 flash 芯片连接到同一总线。
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SPI Flash 访问 API
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如下所示为处理 flash 中数据的函数集:
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- :cpp:func:`esp_flash_read`:将数据从 flash 读取到 RAM;
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- :cpp:func:`esp_flash_write`:将数据从 RAM 写入到 flash;
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- :cpp:func:`esp_flash_erase_region`:擦除 flash 中指定区域的数据;
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- :cpp:func:`esp_flash_erase_chip`:擦除整个 flash;
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- :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)。
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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>`。
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SPI Flash 容量
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SPI flash 容量由引导加载程序镜像头部(烧录偏移量为 0x1000)的一个字段进行配置。
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默认情况下,引导程序被写入 flash 时,esptool.py 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。
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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。
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SPI1 Flash 并发约束
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.. toctree::
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:hidden:
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spi_flash_concurrency
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.. attention::
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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。请参阅 :doc:`spi_flash_concurrency`,查看详细信息。
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.. _flash-partition-apis:
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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。请参阅 :doc:`分区表 </api-guides/partition-tables>`,查看详细信息。
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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:
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- :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;
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- :cpp:func:`esp_partition_get`:返回一个结构体,描述给定迭代器的分区;
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- :cpp:func:`esp_partition_next`:将迭代器移至下一个找到的分区;
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- :cpp:func:`esp_partition_iterator_release`:释放 ``esp_partition_find`` 中返回的迭代器;
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- :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;
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- :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。
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.. note::
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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。
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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。
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请参阅 :doc:`flash 加密 </security/flash-encryption>`,查看详细信息。
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内存映射 API
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{IDF_TARGET_CACHE_SIZE:default="64 KB"}
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{IDF_TARGET_NAME} 的内存硬件可以将 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。
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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。
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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。
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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。
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内存映射 API 在 ``esp_spi_flash.h`` 和 ``esp_partition.h`` 中声明:
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- :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;
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- :cpp:func:`spi_flash_munmap`:取消上述区域的映射;
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- :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;
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:cpp:func:`spi_flash_mmap` 和 :cpp:func:`esp_partition_mmap` 的区别如下:
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- :cpp:func:`spi_flash_mmap`:需要给定一个 {IDF_TARGET_CACHE_SIZE} 对齐的物理地址;
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- :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。
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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。
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.. note::
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由于 mmap 是由 cache 支持的,因此,mmap 也仅能用在主 flash 上。
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SPI Flash 实现
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``esp_flash_t`` 结构体包含芯片数据和该 API 的三个重要部分:
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1. 主机驱动,为访问芯片提供硬件支持;
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2. 芯片驱动,为不同芯片提供兼容性服务;
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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。
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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。
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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。
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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。
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芯片驱动
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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。
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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。
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``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。
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芯片驱动依赖主机驱动。
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.. _esp_flash_os_func:
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OS 函数
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OS 函数层目前支持访问锁和延迟的方法。
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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:
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1. 经 SPI1 总线访问 flash 芯片时,应当禁用 cache(平时用于获取代码和 PSRAM 数据)。
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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。
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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。
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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。
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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。
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使用 OS 函数还可以在一定程度上避免在擦除大块 flash 区域时出现看门狗超时的情况。在这段时间内,CPU 将被 flash 擦除任务占用,从而阻止其他任务的执行,包括为看门狗定时器 (WDT) 供电的空闲任务。若已选中配置选项 :ref:`CONFIG_ESP_TASK_WDT_PANIC`,并且 flash 操作时间长于看门狗的超时时间,系统将重新启动。
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不过,由于不同的 flash 芯片擦除时间不同,flash 驱动几乎无法兼容,很难完全规避超时的风险。因此,您需要格外注意这一点。请遵照以下指南:
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1. 建议启用 :ref:`CONFIG_SPI_FLASH_YIELD_DURING_ERASE` 选项,允许调度器在擦除 flash 时进行重新调度。此外,还可以使用下列参数。
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- 在 menuconfig 中增加 :ref:`CONFIG_SPI_FLASH_ERASE_YIELD_TICKS` 或减少 :ref:`CONFIG_SPI_FLASH_ERASE_YIELD_DURATION_MS` 的时间。
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- 您也可以在 menuconfig 中增加 :ref:`CONFIG_ESP_TASK_WDT_TIMEOUT_S` 的时间以设置更长的看门狗超时周期。然而,看门狗超时周期拉长后,可能无法再检测到以前可检测到的超时。
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2. 请注意,在进行长时间的 SPI flash 操作时,启用 :ref:`CONFIG_ESP_TASK_WDT_PANIC` 选项将会在超时时触发恐慌处理程序。不过,启用该选项也可以帮助处理应用程序中的意外异常,您可以根据实际情况决定是否需要启用这个选项。
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3. 在开发过程中,请根据项目对擦除 flash 的具体要求和时间限制,谨慎进行 flash 操作。在配置 flash 擦除超时周期时,请在实际产品要求的基础上留出合理的冗余时间,从而提高产品的可靠性。
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另请参考
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- :doc:`分区表 <../../api-guides/partition-tables>`
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- :doc:`OTA API <../system/ota>` 提供了高层 API 用于更新存储在 flash 中的 app 固件。
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- :doc:`NVS API <nvs_flash>` 提供了结构化 API 用于存储 SPI flash 中的碎片数据。
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.. _spi-flash-implementation-details:
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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:
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- 单核模式下,SDK 在执行 flash 操作前将禁用中断或调度算法。
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- 双核模式下,SDK 需确保两个 CPU 均未运行 flash 代码。
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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。
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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。
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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。
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另外,所有 API 函数均受互斥量 ``s_flash_op_mutex`` 保护。
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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。
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SPI Flash API 参考
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.. include-build-file:: inc/esp_flash_spi_init.inc
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.. include-build-file:: inc/esp_flash.inc
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.. include-build-file:: inc/esp_spi_flash.inc
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.. include-build-file:: inc/spi_flash_types.inc
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.. include-build-file:: inc/esp_flash_err.inc
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.. _api-reference-partition-table:
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分区表 API 参考
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.. include-build-file:: inc/esp_partition.inc
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Flash 加密 API 参考
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.. include-build-file:: inc/esp_flash_encrypt.inc |