STM32C5 EEPROM Emulation 密码锁示例

本工程基于 STM32C542RCT6，使用片上 EDATA Flash 模拟 EEPROM，并实现通过 USART2 串口交互的 6 位密码锁。密码正确时点亮 PA5 上的 LD1，约 5 秒后熄灭并进入 Standby；密码保存在EDATA区域，断电不丢失。

1. 芯片与系统配置

• MCU：STM32C542RCT6。
• 时钟：HSE 24 MHz，经 PSIS 输出 144 MHz。
• HCLK/PCLK1/PCLK2/PCLK3 均为 1 分频，Flash latency 为 4 WS。
• 使用 STM32C5 HAL/LL、CMSIS、EEPROM Emulation v2.1.0。
• 构建：CMake + Ninja，预设为 debug_GCC_STM32C542RCT6。

mx_system_init() 依次初始化 HAL、NVIC、ICACHE、RCC、PWR、USART2、GPIO、TIM1、FLASH 和 CRC；关键初始化失败时 main() 返回 -1。

2. 外设设置

2.1 外设配置总览

外设/模块	关键配置	引脚/资源	主要用途
RCC	HSE 24 MHz，PSIS/SYSCLK 144 MHz；AHB/APB 均 1 分频	系统时钟	为 CPU 和外设提供时钟
ICACHE	启用，HAL_ICACHE_IT_NONE	芯片内部	提高代码访问效率
USART2	115200、8N1、无流控、TX/RX	PA2/PA3，AF7	串口提示、密码输入
LPDMA1_CH0	USART2 TX，内存到外设，字节宽度	USART2 TX 请求	DMA 发送支持
LPDMA1_CH1	USART2 RX，外设到内存，字节宽度	USART2 RX 请求	DMA 接收支持
GPIO	低速推挽输出，无上下拉	PA5/LD1	开锁状态指示
TIM1	预分频 14399，周期 0x1387，更新中断	TIM1_UPD，通道 3	LED 控制和开锁计时
PWR	PVD、Flash 低功耗、Wakeup Pin 4	Wakeup Pin 4，高电平有效	Standby 唤醒
FLASH	EDATA Flash 接口	FLASH_EDATA_BASE	EEPROM 仿真数据存储
CRC	16 bit，多项式 0x109B，初值 0xFFFFFFFF	CRC 外设	EEPROM 数据完整性校验
DWT	开启 CYCCNT	Cortex-M 内部	统计 CPU 周期

上表是当前工程的配置速查，下面分别说明各外设的初始化方式及其在应用中的作用。

USART2 与 LPDMA1

USART2 用作密码锁终端：

参数	配置
TX/RX	PA2/PA3，AF7
波特率	115200
数据格式	8N1，无硬件流控
方向	TX/RX
过采样	16 倍

LPDMA1_CH0 用于 USART2 TX（内存到外设），LPDMA1_CH1 用于 USART2 RX（外设到内存），均为字节传输并启用中断。工程另有 1024 字节环形发送队列和 UART_DMA_Send()，但当前 printf() 最终经 __io_putchar() 调用阻塞式 HAL_UART_Transmit()；getchar() 也通过 __io_getchar() 阻塞接收。

GPIO、LED 与 TIM1

PA5 配置为低速推挽、无上下拉输出，LD1 高电平有效。由于 LED_PWM_MODE=1，LED 控制还会使用 TIM1 通道 3 输出比较。

TIM1 配置为内部时钟、向上计数，预分频 14399，周期 0x1387（4999），启用更新中断，优先级为抢占 0、子优先级 0。更新回调会：

1. 调用 bsp_led_callback() 翻转 LD1；
2. 调用 open_door_cunter_callback() 累计开锁计时；
3. 计数达到 120 后进入 Standby。

PWR、低功耗与唤醒

mx_pwr.c 开启 PVD（EXTI line 16、上升沿）、Flash low-power mode 和 Wakeup Pin 4。Wakeup Pin 4 为高电平有效、无上下拉；同时保留 JTAG I/O（PA13、PA14、PA15、PB4）。

enter_standby() 会保存密码，清除 Wakeup Pin 4 和上次电源模式标志，然后调用 HAL_PWR_EnterStandbyMode()。主流程为：

mx_system_init -> App_Init -> 检查 Wakeup Pin 4
                               ├─ 已唤醒：App_Run -> 开锁 -> Standby
                               └─ 未唤醒：直接进入 Standby

FLASH、CRC 与 DWT

FLASH 由 mx_flash.c 初始化并提供给 EEPROM 仿真层。CRC 参数为：16 bit、多项式 0x109B、初始值 0xFFFFFFFF，输入和输出均不反转。CRC 用于仿真数据帧完整性校验。

sys_DWT.c 开启 DWT CYCCNT，App_Init() 用它统计初始化提示输出的 CPU 周期；DWT 不参与密码校验或存储。

3. 工程结构

3.1 工程文件结构图

Project08_EEPROM_emulation/
├─ main.c / main.h                           入口、系统初始化和主循环
├─ Application/
│  ├─ app/
│  │  ├─ app.c / app.h                       密码锁业务逻辑、低功耗流程
│  │  └─ callbacks.c / callbacks.h            UART/TIM 等 HAL 回调分发
│  ├─ bsp/
│  │  ├─ bsp_uart.c / bsp_uart.h              USART2 输出和 DMA 发送队列
│  │  ├─ bsp_led.c / bsp_led.h                LD1 控制
│  │  └─ bsp_BTN.c / bsp_BTN.h                按键消抖和事件识别
│  └─ tool/
│     ├─ sys_Data_Flash.c / sys_Data_Flash.h  EEPROM 读写二次封装
│     └─ sys_DWT.c / sys_DWT.h                DWT 周期计数
├─ generated/
│  ├─ hal/                                    RCC/PWR/GPIO/UART/TIM/FLASH/CRC 初始化
│  └─ utilities/                              EEPROM 配置和初始化入口
├─ utilities/
│  ├─ eeprom_emulation/                       EEPROM 核心、FLITF 算法、Flash/CRC 接口
│  └─ syscalls/                               printf/getchar 底层重定向
├─ stm32c5xx_drivers/                         STM32C5 HAL/LL 驱动
├─ arch/cmsis/                                 CMSIS 内核和设备支持
├─ user_modifiable/                            启动文件、链接脚本、构建上下文
├─ build/                                      CMake/Ninja 构建输出（本地生成）
├─ CMakeLists.txt / CMakePresets.json          构建配置
└─ Project08_EEPROM_emulation.ioc2             STM32CubeMX2 工程配置

生成代码负责芯片和外设初始化；Application 负责板级封装和业务逻辑；utilities/eeprom_emulation 提供通用 Flash EEPROM 仿真；sys_Data_Flash 提供业务层按虚拟地址读写的简单接口。

4. EEPROM Emulation 配置

配置文件：generated/utilities/eeprom_emul_conf.h。

宏	当前值	含义
EE_ALGO_FLITF	1	使用 FLITF 算法
EE_FRAME_LINE_SIZE	8	数据线大小 8 字节
EE_START_PAGE_ADDRESS	0x09000000	仿真页起始地址
EE_FLASH_BASE_ADDRESS	FLASH_EDATA_BASE	使用 EDATA Flash
EE_FLASH_PAGE_SIZE	FLASH_EDATA_PAGE_SIZE	EDATA 页大小
EE_NB_OF_VARIABLES	1000	虚拟变量总数
EE_GUARD_PAGES_NUMBER	1	保护页数量
EE_CYCLES_NUMBER	1	仿真周期数

当前组合为 FLITF + EDATA + CRC；NVM、ECC 和模板接口虽在工程中保留，但未被当前配置选用。

初始化链路：

App_Init
  -> sys_Data_Flash_Init
     -> mx_eeprom_emulation_init
        -> 获取 mx_flash_gethandle / mx_crc_gethandle
        -> EE_Init(&mx_ee_object, EE_CONDITIONAL_ERASE)

EE_Init() 初始化 Flash/CRC 接口并恢复仿真页状态。EE_CONDITIONAL_ERASE 只在需要时擦除页面。FLITF 算法把变量记录追加到活动页，空间不足时搬移有效记录、擦除旧页并继续使用，用于模拟 EEPROM 更新并降低单页磨损。

业务层使用虚拟地址 1～6 保存密码的 6 个 ASCII 字节：

sys_Data_Flash_Write(1, password, 6);
sys_Data_Flash_Read(1, password, 6);

封装层实际逐字节调用 EE_WriteVariable8bits() 和 EE_ReadVariable8bits()。当写入返回 EE_INFO_CLEANUP_REQUIRED 时调用 EE_CleanUp() 回收旧页。

密码生命周期：

1. RAM 初始密码为123456；
2. App_Init() 初始化仿真后读取虚拟地址 1～6；
3. 首次使用没有有效记录时打印读取错误，但默认数组仍可继续使用；
4. 修改密码先只更新 RAM；
5. 进入 Standby 前由enter_standby() 写回地址 1～6；
6. 下次唤醒或复位时重新读取。

修改变量数量、起始地址、周期数或页配置后，应重新生成工程，并确认链接脚本、EDATA 区域和仿真页范围不冲突；虚拟地址必须位于 1～EE_NB_OF_VARIABLES。

5. 密码锁使用流程

5.1 上电与唤醒

1. USART2 连接串口终端：115200、8N1、无流控；
2. 下载并复位程序；
3. 终端打印功能说明、默认密码和改密提示；
4. 初始化后系统进入 Standby；
5. 对 Wakeup Pin 4 施加配置的有效高电平，唤醒系统。

5.2 正常开锁

唤醒后执行 open_locked()：

1. 启动 TIM1 更新中断；
2. 输入1 或其他字符选择显示方式：1 明文回显，其他字符隐藏为*；
3. 输入 6 位当前密码并回车；
4. 密码正确：打印成功信息、点亮 LD1，保持约 5 秒；
5. 密码错误：打印失败信息并关闭 LD1；
6. 打印待机提示并进入 Standby。

代码固定读取 6 次 getchar()，再清理换行；建议严格输入 6 个字符后回车，不要加入空格或额外字符。

5.3 修改密码

输入特殊密码 000000 进入改密：

1. 输入000000；
2. 输入新的 6 位密码；
3. 新密码不能为000000；
4. 再次输入新密码确认；
5. 两次一致时打印Password is updated! 并更新 RAM；
6. 随后进入 Standby 时写入 EEPROM 仿真区；
7. 两次不一致时打印Password is not updated!，原密码不变。

修改成功不会立即单独写 Flash，而是在后续 enter_standby() 中保存；若保存前掉电，仍使用 Flash 中的原密码。

6. 构建与下载

cmake --preset debug_GCC_STM32C542RCT6
cmake --build --preset debug_GCC_STM32C542RCT6

已有构建目录时：

cmake --build build/debug_GCC_STM32C542RCT6

ELF 输出为 build/debug_GCC_STM32C542RCT6/Project08_EEPROM_emulation.elf。烧录后打开 USART2 终端即可测试。

7. 关键文件

文件	作用
main.c	初始化、唤醒判断、主循环
Application/app/app.c	密码校验、改密、开锁、Standby
Application/tool/sys_Data_Flash.c	EEPROM 读写封装
generated/utilities/eeprom_emul_conf.h	EEPROM 参数
generated/utilities/mx_eeprom_emulation_app.c	EE_Init() 入口
utilities/eeprom_emulation/core/	仿真核心和算法
utilities/eeprom_emulation/interface_flash/	EDATA Flash 接口
utilities/eeprom_emulation/interface_crc/	CRC 接口
generated/hal/mx_usart2.c	USART2/LPDMA1
generated/hal/mx_tim1.c	TIM1/更新中断
generated/hal/mx_pwr.c	Standby/Wakeup 配置
utilities/syscalls/syscalls.c	printf/getchar 重定向

8. 优化建议

8.1 优先修复的功能和可靠性问题

1. 完善 EEPROM 错误处理：
   • 让sys_Data_Flash_Read/Write() 根据EE_INVALID_VIRTUALADDRESS、EE_ERROR_CORRUPTION、Flash 错误等返回真实状态；
   • App_Init() 读取失败时明确区分“首次使用”和“数据损坏”，必要时执行EE_Format() 或进入故障提示；
   • 写入密码后校验读回值，避免 Flash 编程失败仍被当作成功。
2. 修正改密保存时机：当前改密成功后先修改 RAM，只有进入 Standby 前才写 Flash。建议改密成功后立即写入并读回校验，或者增加掉电保护状态，避免保存前掉电导致新密码丢失。
3. 避免在中断中执行复杂业务：HAL_TIM_UpdateCallback() 只置位计时标志，在主循环中处理 Standby 和业务逻辑，减少中断执行时间。
4. 统一返回值和参数校验：检查地址范围、长度是否为 6、空指针和 EEPROM 初始化状态，不要让底层失败最终仍返回SYS_DATA_FLASH_OK。

8.2 串口和交互优化

1. 真正启用 UART DMA 发送：让_write() 调用UART_DMA_Send()，并处理环形缓冲区满的情况；这样连续printf() 不会逐字节阻塞 CPU。
2. 增加接收状态机：目前getchar() 固定阻塞读取 6 个字符，建议改为中断/DMA 接收 + 行缓冲，支持退格、超时、回车结束和非法字符提示。
3. 统一换行格式：串口输出统一使用\\r\\n，并为菜单、密码输入、结果和故障状态定义明确的提示文本。
4. 加入输入超时和错误次数限制：长时间无输入时自动回到待机；连续输错达到阈值后锁定一段时间，降低暴力尝试风险。

8.3 低功耗与定时器优化

1. 核对 Wakeup Pin 4 的实际引脚连接：README 和代码只能说明 HAL 的 Wakeup Pin 4 配置，硬件原理图仍需确认具体物理引脚和有效电平。
2. 减少无意义的 TIM1 运行：仅在开锁交互或 LED 指示需要时启动 TIM1，进入待机前停止定时器并关闭无关时钟。
3. 重新评估 LED 控制方式：若只需要常亮/熄灭，建议关闭LED_PWM_MODE，直接使用 GPIO，降低代码复杂度和功耗。
4. 完善唤醒原因记录：进入待机前记录状态，唤醒后读取并打印唤醒源，便于区分首次上电、Wakeup Pin 唤醒和异常复位。

8.4 EEPROM 寿命与数据设计优化

1. 只在数据变化时写入：写入前比较新旧密码，密码未变化时不产生新的 EEPROM 记录。
2. 为密码增加版本、长度和校验字段：可将密码记录设计为结构体，例如magic + version + length + password + crc，便于升级和检测异常数据。
3. 合理设置仿真容量：EE_NB_OF_VARIABLES=1000 远大于当前 6 个字节的需求；应根据实际变量数量、写入频率和寿命目标计算页数，避免占用不必要的 EDATA 空间。
4. 明确格式化策略：量产产品不要随意启动时格式化；应提供受控的恢复出厂流程，防止误擦除密码。

8.5 安全性优化

1. 不要明文保存密码：使用硬件安全能力、密钥派生后的摘要或加密存储；同时注意仅保存摘要时仍需支持密码验证。
2. 删除或保护默认密码提示：当前默认密码和改密口令直接打印在串口上，只适合演示，不适合产品。
3. 防止调试口泄露：量产时评估 JTAG/SWD、读保护、调试认证和 EDATA 访问权限。
4. 增加安全擦除和恢复机制：密码重置应需要物理授权或受保护命令，不能只依靠公开的000000 特殊口令。

9. 注意事项

• 密码以 ASCII 明文保存，没有加密；CRC 只提供完整性检查，不是安全存储。
• 当前sys_Data_Flash_Read/Write() 对底层错误主要打印信息，量产代码应补充严格错误传播。
• BTN_Scan() 当前未接入主循环或定时扫描；使用实体按键需要补充 GPIO、扫描周期及到Process_Button_Event() 的连接。
• mx_*.c/.h 和eeprom_emul_conf.h 通常由 STM32CubeMX2 生成，修改配置应同步修改.ioc2/组件配置。