【已更新】STM32H7使用FMC扩展32路高速IO教程（2019-03-15）

eric2013 · 发表于 2019-3-12 02:57:08

说明：
1、先说下为什么要做高速IO扩展，因为V7板子（H743XIH6，240脚）使用了32位SDRAM和RGB888硬件接口，消耗IO巨大，虽然比V6的F429BIT6 208脚多些，但是新增了QSPI等器件。
所以继续做IO扩展，通过FMC扩展出32路高速IO。
2、对于扩展的IO，使用非常方便，用户仅需配置好FMC后，32路IO就可以随意使用，即使FMC外接的SDRAM在高速通信中。平时通过扩IO翻转测试个执行时间什么的，也非常方便，且可以同时测试多路。
3、扩展IO的方案很多，比如串行转并的595方案，缺点是速度慢；专用的数字IC，DRV8860，缺点是价格贵；使用便宜的F0，ST的综合板喜欢这么干。

V7的IO扩展与V6的IO扩展略有不同，下面逐一做个说明。

第1步，先来看FMC的块区分配

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。

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_NE1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V7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访问模式的区别就在这里:

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NE2 + HADDR12 + HADDR13的四种组合地址就是如下：
NE1 + HADDR13 + HADDR12 = 0x6000000 +  0<<13 + 0<<12 = 0x60000000
NE1 + HADDR13 + HADDR12 = 0x6000000 +  0<<13 + 1<<12 = 0x60001000
NE1 + HADDR13 + HADDR12 = 0x6000000 +  1<<13 + 0<<12 = 0x60002000
NE1 + HADDR13 + HADDR12 = 0x6000000 +  1<<13 + 1<<12 = 0x60003000
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。

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SN74HC02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）：

SN74HC32是一款2输入或门，一个芯片带了四组或门，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，V7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_ext_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74HC02输出的。
再结合上面FMC写时序图，在NE片选为低电平，NEW写使能信号为高电平期间，即地址建立时间段ADDSET内，74HC02是输出的低电平。进入到DATAST数据建立阶段，在NE片选为低电平，NEW写使能信号也为低电平时，74HC02输出高电平，正好是实现1个上升沿的变化，将数据总线上的数据锁存到74HC574的输出端了。这里隐含了一个知识点，数据还没有完全建立起来就锁存是不是会有问题。

第4步，时序配置
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。
-->V7开发板的74HC574有两片是3.3V供电，另外两片是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SN74HC02：

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
-->V7开发板的74HC574有两片是3.3V供电，另外两片是5V供电。参数表格里面没有给3.3V和5V供电时的参数，也没有最小值。

对应74HC574和74HC02的时序参数有个了解后，再来看第3步末尾的问题：

当写使能信号NEW出现下降沿后，74H02或非门就会输出一个上升沿，然后出发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，所以保证DATAST数据建立时间够大就行，实际测试FMC频率在200MHz的情况下，2-3个FMC时钟周期就已经可以正常使用。
有了这些认识后，再来看FMC的时序配置就比较好理解了：

第5步，应用举例
配置完毕后，要操作那个IO就非常简单了，比如IO翻转
HC574_TogglePin(GPIO_PIN_23);
HC574_TogglePin(GPIO_PIN_20);
IO翻转10MHz，方波频率5MHz，效果如下：

为了帮助大家理解，再进一步的深入下，比如控制LED闪烁：

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。

总结：
关于IO扩展还有很多的方法，只是我们这里采用的是FMC总线扩展，主要是考虑到速度比较快。大家扩展的话可以使用595等串行转并行的数字逻辑芯片，或者直接用便宜些的MCU做扩展都是不错的选择。

eric2013 · 发表于 2019-3-12 02:57:46

下面是V6的，也补上地址，方便对比：

【简易教程】关于采用F429的FMC总线实现IO扩展和采用32位总线方式时译码器的地址计
https://forum.anfulai.cn/forum.p ... 6290&fromuid=58
(出处: 安富莱电子论坛)

byccc · 发表于 2019-3-12 09:45:10

这个是V7的图？

eric2013 · 发表于 2019-3-12 10:10:53

byccc 发表于 2019-3-12 09:45
这个是V7的图？

软件和硬件上都有些区别，一会我会更新下。

hpdell · 发表于 2019-3-12 10:18:27

请教一下，SN74HC02PW 与 SN74HC32PW 有那些不同啊？？

eric2013 · 发表于 2019-3-12 10:29:58

hpdell 发表于 2019-3-12 10:18
请教一下，SN74HC02PW 与 SN74HC32PW 有那些不同啊？？

U21最好用74HC02或非门。V7 用74HC32不稳定。用74HC02没问题。

dy84082666 · 发表于 2019-3-12 13:27:43

是因为FMC速度的200M太快了吗

eric2013 · 发表于 2019-3-12 13:36:17

dy84082666 发表于 2019-3-12 13:27
是因为FMC速度的200M太快了吗

影响不大，因为有个地址建立时间和数据建立时间，一般10个FMC时钟周期一次，速度就将到20MHz。

改成或非门后稳定些。

eric2013 · 发表于 2019-3-12 13:36:59

byccc 发表于 2019-3-12 09:45
这个是V7的图？

是的。

在水一方 · 发表于 2019-3-12 13:57:01

或非的话，程序会有哪些区别？FMC

eric2013 · 发表于 2019-3-12 13:58:08

在水一方发表于 2019-3-12 13:57
或非的话，程序会有哪些区别？FMC

程序没区别。

sanit · 发表于 2019-3-12 14:38:36

eric2013 发表于 2019-3-12 10:29
U21最好用74HC02或非门。V7 用74HC32不稳定。用74HC02没问题。

板载的更改了吗老大

eric2013 · 发表于 2019-3-12 14:40:08

sanit 发表于 2019-3-12 14:38
板载的更改了吗老大

改了，已经采用新设计了。

sanit · 发表于 2019-3-12 14:41:34

eric2013 发表于 2019-3-12 14:40
改了，已经采用新设计了。

好的，近2天下单。以表示支持安富莱，支持老大。

eric2013 · 发表于 2019-3-12 15:00:37

sanit 发表于 2019-3-12 14:41
好的，近2天下单。以表示支持安富莱，支持老大。

感谢兄弟

hpdell · 发表于 2019-3-12 15:38:47

eric2013 发表于 2019-3-12 10:29
U21最好用74HC02或非门。V7 用74HC32不稳定。用74HC02没问题。

原来如此啊，期待的核心板还有 10天了喔

eric2013 · 发表于 2019-3-12 16:32:04

hpdell 发表于 2019-3-12 15:38
原来如此啊，期待的核心板还有 10天了喔

继续加油中。

byccc · 发表于 2019-3-12 18:08:20

eric2013 发表于 2019-3-12 13:36
是的。

对比了下，原来是二输入或门改成或非门了。

hpdell · 发表于 2019-3-12 19:21:44

byccc 发表于 2019-3-12 18:08
对比了下，原来是二输入或门改成或非门了。

是的，他们的逻辑输出貌似刚好相反

在水一方 · 发表于 2019-3-12 20:31:16

本帖最后由在水一方于 2019-3-12 20:43 编辑

hpdell 发表于 2019-3-12 19:21
是的，他们的逻辑输出貌似刚好相反

时序相反后，锁存从哪个时序开始呢？？有点没想明白

byccc · 发表于 2019-3-12 21:14:17

在水一方发表于 2019-3-12 20:31
时序相反后，锁存从哪个时序开始呢？？有点没想明白

NWE写使能下降沿开始锁存

在水一方 · 发表于 2019-3-12 21:25:46

byccc 发表于 2019-3-12 21:14
NWE写使能下降沿开始锁存

那个时候不是数据才进行发送吗？这个时间锁存没有问题吗，我硬件不是很懂再请教一下了

byccc · 发表于 2019-3-12 22:19:08

在水一方发表于 2019-3-12 21:25
那个时候不是数据才进行发送吗？这个时间锁存没有问题吗，我硬件不是很懂再请教一下了

eric2013 · 发表于 2019-3-13 02:27:52

byccc 发表于 2019-3-12 22:19

FMC输出NWE下降沿后，通过74HC02的或非门输出是有个延迟的，然后出发74HC574锁存也是有个延迟时间，这两个延迟时间就有几十ns。所以用户只需保持ADDST数据建立时间参数配置稍大些即可。实际测试2个FMC时钟周期就稳了。

在水一方 · 发表于 2019-3-13 07:25:15

byccc 发表于 2019-3-12 22:19

谢谢

在水一方 · 发表于 2019-3-13 07:25:29

eric2013 发表于 2019-3-13 02:27
FMC输出NWE下降沿后，通过74HC02的或非门输出是有个延迟的，然后出发74HC574锁存也是有个延迟时间，这两 ...

明白了，谢谢

hpdell · 发表于 2019-3-13 10:02:33

本帖最后由 hpdell 于 2019-3-13 10:03 编辑

eric2013 发表于 2019-3-13 02:27
FMC输出NWE下降沿后，通过74HC02的或非门输出是有个延迟的，然后出发74HC574锁存也是有个延迟时间，这两 ...

你好，我想使用 hc245 作为io 扩展，作为按键输入检测及 sd 卡是否插入检测口，不知道是否可以呀？？

电路图如下：

r123 为硬件使能

r68 为使用 new 信号控制
r100 是使用 574 输出低电平来控制，

这3个方法到时根据实际情况选择一个即可

eric2013 · 发表于 2019-3-13 10:17:02

hpdell 发表于 2019-3-13 10:02
你好，我想使用 hc245 作为io 扩展，作为按键输入检测及 sd 卡是否插入检测口，不知道是否可以呀？？

...

这样的话，只能查询方式了。另外读取要用NOE

byccc · 发表于 2019-3-13 10:20:16

eric2013 发表于 2019-3-13 02:27
FMC输出NWE下降沿后，通过74HC02的或非门输出是有个延迟的，然后出发74HC574锁存也是有个延迟时间，这两 ...

详细

hpdell · 发表于 2019-3-13 10:23:54

本帖最后由 hpdell 于 2019-3-13 10:32 编辑

eric2013 发表于 2019-3-13 10:17
这样的话，只能查询方式了。另外读取要用NOE

ok , 使用查询费也是可以的，每隔 10-60 ms 之间读取一次也可以

eric2013 · 发表于 2019-3-13 17:22:33

hpdell 发表于 2019-3-13 10:23
ok , 使用查询费也是可以的，每隔 10-60 ms 之间读取一次也可以

也可以。

eric2013 · 发表于 2019-3-15 01:03:32

已经更新，内容略多。

dy84082666 · 发表于 2019-3-21 15:49:28

DATAST数据建立时间 < (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)

是这样理解吗？

eric2013 · 发表于 2019-3-21 16:29:09

dy84082666 发表于 2019-3-21 15:49
DATAST数据建立时间 < (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 ...

要大于等于，也就是当前的这个FMC配置，需要DataSet时间参数配置为2-255均可。

dy84082666 · 发表于 2019-3-21 16:58:37

eric2013 发表于 2019-3-21 16:29
要大于等于，也就是当前的这个FMC配置，需要DataSet时间参数配置为2-255均可。

看您填写的DATASET = 2（10ns）
而前面那三个参数加起来 14ns(Tpd-574) + 9ns(Tpd-C02) + 8ns(Tr-C02) =31ns
DATASET >= 31ns ? 没看明白呀

eric2013 · 发表于 2019-3-21 17:03:27

dy84082666 发表于 2019-3-21 16:58
看您填写的DATASET = 2（10ns）
而前面那三个参数加起来 14ns(Tpd-574) + 9ns(Tpd-C02) + 8ns(Tr-C02) = ...

数字芯片的那个几个时序参数没有给最小时间，实际测试2-3个5ns就稳定了。项目应用建议开个5-10好些。

dy84082666 · 发表于 2019-3-21 17:13:35

eric2013 发表于 2019-3-21 17:03
数字芯片的那个几个时序参数没有给最小时间，实际测试2-3个5ns就稳定了。项目应用建议开个5-10好些。

这下子完全明白，需要理论与实践结合。

夏清 · 发表于 2019-5-28 15:55:32

595级联，好处是可以做成隔离，但是只能输出信号吧，没法检测输入电平的高低？这个FMC扩展IO口，用在不需要隔离的场合可以的，不过这个可以检测输入信号吗？
还有个小白的问题，FMC_NE1 /FMC_NE2/FMC_NE3/FMC_NE4 是分别控制上面的 6块区域吗，怎么不是划分成4块，一个信号使能一块区域？

夏清 · 发表于 2019-5-28 16:31:37

夏清发表于 2019-5-28 15:55
595级联，好处是可以做成隔离，但是只能输出信号吧，没法检测输入电平的高低？这个FMC扩展IO口，用在不 ...

之前搞错了，原来只有第一个区块有4路片选，其他的都是固定的。

eric2013 · 发表于 2019-5-29 10:31:39

夏清发表于 2019-5-28 16:31
之前搞错了，原来只有第一个区块有4路片选，其他的都是固定的。

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