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1.QSPI协议简介


QSPI是Queued SPI的简写，是Motorola公司推出的SPI接口的扩展，比SPI应用更加广泛。在SPI协议的基础上，Motorola公司对其功能进行了增强，增加了队列传输机制，推出了队列串行外围接口协议（即QSPI协议）。QSPI 是一种专用的通信接口，连接单、双或四（条数据线） SPI Flash 存储介质。

该接口可以在以下三种模式下工作：

① 间接模式：使用 QSPI 寄存器执行全部操作

② 状态轮询模式：周期性读取外部 Flash 状态寄存器，而且标志位置 1 时会产生中断（如擦除或烧写完成，会产生中断）

③ 内存映射模式：外部 Flash 映射到微控制器地址空间，从而系统将其视作内部存储器

采用双闪存模式时，将同时访问两个 Quad-SPI Flash，吞吐量和容量均可提高二倍。

1.1 QSPI功能框图

QSPI功能框图，双闪存模式禁止见图1。



我们的开发板采用的是双闪存禁止的模式连接单片QSPI Flash。QSPI 使用 6 个信号连接Flash，分别是四个数据线BK1_IO0~BK1_IO3，一个时钟输出CLK，一个片选输出（低电平有效）BK1_nCS，它们的作用介绍如下：

(1) BK1_nCS：片选输出（低电平有效），适用于 FLASH 1。如果 QSPI 始终在双闪存模式下工作，则其也可用于 FLASH 2从设备选择信号线。QSPI通讯以BK1_nCS线置低电平为开始信号，以BK1_nCS线被拉高作为结束信号。

(2) CLK：时钟输出，适用于两个存储器，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如STM32的QSPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

(3) BK1_IO0：在双线 / 四线模式中为双向 IO，单线模式中为串行输出，适用于FLASH 1。

(4) BK1_IO1：在双线 / 四线模式中为双向 IO，单线模式中为串行输入，适用于FLASH 1。

(5) BK1_IO2：在四线模式中为双向 IO，适用于 FLASH 1。

(6) BK1_IO3：在四线模式中为双向 IO，适用于 FLASH 1。


QSPI命令序列


QUADSPI 通过命令与 Flash 通信 每条命令包括指令、地址、交替字节、空指令和数据这五个阶段 任一阶段均可跳过，但至少要包含指令、地址、交替字节或数据阶段之一。nCS 在每条指令开始前下降，在每条指令完成后再次上升。先看看QSPI四线模式下的读命令时序，见图2。

1. 指令阶段
   
   这一阶段，将在 QUADSPI_CCR[7:0] 寄存器的 INSTRUCTION 字段中配置的一条 8 位指令发送到 Flash，指定待执行操作的类型。
   
   尽管大多数 Flash 从 IO0/SO 信号（单线 SPI 模式）只能以一次 1 位的方式接收指令，但指令阶段可选择一次发送 2 位（在双线 SPI 模式中通过 IO0/IO1）或一次发送 4 位（在四线SPI 模式中通过 IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过 QUADSPI_CCR[9:8] 寄存器中的 IMODE[1:0]字段进行配置。
   
   若 IMODE = 00，则跳过指令阶段，命令序列从地址阶段（如果存在）开始。
2. 地址阶段
   
   在地址阶段，将1-4字节发送到Flash，指示操作地址。待发送的地址字节数在QUADSPI_CCR[13:12]寄存器的ADSIZE[1:0]字段中进行配置。在间接模式和自动轮询模式下，待发送的地址字节在QUADSPI_AR寄存器的ADDRESS[31:0]中指定在内存映射模式下，则通过 AHB（来自于 Cortex ® 或 DMA）直接给出地址。地址阶段可一次发送1 位（在单线SPI模式中通过SO）、2位（在双线SPI模式中通过IO0/IO1）或4位（在四线 SPI 模式中通过 IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QUADSPI_CCR[11:10]寄存器中的ADMODE[1:0]字段进行配置。
   
   若 ADMODE = 00，则跳过地址阶段，命令序列直接进入下一阶段（如果存在）。
3. 交替字节阶段
   
   在交替字节阶段，将 1-4 字节发送到 Flash，一般用于控制操作模式。待发送的交替字节数在 QUADSPI_CCR[17:16] 寄存器的 ABSIZE[1:0] 字段中进行配置。待发送的字节在QUADSPI_ABR 寄存器中指定。
   
   交替字节阶段可一次发送 1 位（在单线 SPI 模式中通过 SO）、2 位（在双线 SPI 模式中通过 IO0/IO1）或 4 位（在四线 SPI 模式中通过 IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QUADSPI_CCR[15:14] 寄存器中的 ABMODE[1:0] 字段进行配置。
   
   若 ABMODE = 00，则跳过交替字节阶段，命令序列直接进入下一阶段（如果存在）。交替字节阶段存在仅需发送单个半字节而不是一个全字节的情况，比如采用双线模式并且仅使用两个周期发送交替字节时。在这种情况下，固件可采用四线模式 (ABMODE = 11) 并发送一个字节，方法是 ALTERNATE 的位 7 和 3 置“1”（IO3 保持高电平）且位 6 和 2 置“0”（IO2 线保持低电平）。此时，半字节的高 2 位存放在 ALTERNATE 的位 4:3，低 2位存放在位 1 和 0 中。例如，如果半字节 2 (0010) 通过 IO0/IO1 发送，则 ALTERNATE 应设置为 0x8A (1000_1010)。
4. 空指令周期阶段
   
   在空指令周期阶段，给定的 1-31 个周期内不发送或接收任何数据，目的是当采用更高的时钟频率时，给 Flash 留出准备数据阶段的时间。这一阶段中给定的周期数在QUADSPI_CCR[22:18] 寄存器的 DCYC[4:0] 字段中指定。在 SDR 和 DDR 模式下，持续时间被指定为一定个数的全时钟周期。若 DCYC 为零，则跳过空指令周期阶段，命令序列直接进入数据阶段（如果存在）。空指令周期阶段的操作模式由 DMODE 确定。为确保数据信号从输出模式转变为输入模式有足够的“周转”时间，使用双线和四线模式从Flash 接收数据时，至少需要指定一个空指令周期。
5. 数据阶段
   
   在数据阶段，可从 Flash 接收或向其发送任意数量的字节。
   
   在间接模式和自动轮询模式下，待发送/接收的字节数在 QUADSPI_DLR 寄存器中指定。在间接写入模式下，发送到 Flash 的数据必须写入 QUADSPI_DR 寄存器。在间接读取模式下，通过读取 QUADSPI_DR 寄存器获得从 Flash 接收的数据。在内存映射模式下，读取的数据通过 AHB 直接发送回 Cortex 或 DMA。数据阶段可一次发送/接收 1 位（在单线 SPI 模式中通过 SO）、2 位（在双线 SPI 模式中通过 IO0/IO1）或 4 位（在四线 SPI 模式中通过 IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QUADSPI_CCR[15:14] 寄存器中的 ABMODE[1:0] 字段进行配置。若 DMODE = 00，则跳过数据阶段，命令序列在拉高 nCS 时立即完成。这一配置仅可用于仅间接写入模式。
   
   
   2.QUADSPI 信号接口协议模式
   
   
   3.1 单线 SPI 模式
   
   传统 SPI 模式允许串行发送/接收单独的 1 位。在此模式下，数据通过 SO 信号（其 I/O 与IO0 共享）发送到 Flash。从 Flash 接收到的数据通过 SI（其 I/O 与 IO1 共享）送达。通过将（QUADSPI_CCR 中的）IMODE/ADMODE/ABMODE/DMODE 字段设置为 01，可对不同的命令阶段分别进行配置，以使用此单个位模式。在每个已配置为单线模式的阶段中：
   
   IO0 (SO) 处于输出模式
   
   IO1 (SI) 处于输入模式（高阻抗）
   
   IO2 处于输出模式并强制置“0”（以禁止“写保护”功能）
   
   IO3 处于输出模式并强制置“1”（以禁止“保持”功能）
   
   若 DMODE = 01，这对于空指令阶段也同样如此。
   
   3.2 双线 SPI 模式
   
   在双线模式下，通过 IO0/IO1 信号同时发送/接收两位。通过将 QUADSPI_CCR 寄存器的 IMODE/ADMODE/ABMODE/DMODE 字段设置为 10，可对不同的命令阶段分别进行配置，以使用双线 SPI 模式。在每个已配置为单线模式的阶段中：
   
   IO0/IO1 在数据阶段进行读取操作时处于高阻态（输入），在其他情况下为输出
   
   IO2 处于输出模式并强制置“0”
   
   IO3 处于输出模式并强制置“1”
   
   在空指令阶段，若 DMODE = 01，则 IO0/IO1 始终保持高阻态。
   
   3.3 四线 SPI 模式
   
   在四线模式下，通过 IO0/IO1/IO2/IO3 信号同时发送/接收四位。通过将 QUADSPI_CCR 寄存器的 IMODE/ADMODE/ABMODE/DMODE 字段设置为 11，可对不同的命令阶段分别进行配置，以使用四线 SPI 模式。在每个已配置为四线模式的阶段中，IO0/IO1/IO2/IO3 在数据阶段进行读取操作时均处于高阻态（输入），在其他情况下为输出。在空指令阶段中，若 DMODE = 11，则 IO0/IO1/IO2/IO3 均为高阻态。IO2 和 IO3 仅用于 Quad SPI 模式 如果未配置任何阶段使用四线 SPI 模式，即使 UADSPI激活，对应 IO2 和 IO3 的引脚也可用于其他功能。
   
   3.4 SDR 模式
   
   默认情况下，DDRM 位 (QUADSPI_CCR[31]) 为 0，QUADSPI 在单倍数据速率 (SDR) 模式下工作。在 SDR 模式下，当 QUADSPI 驱动 IO0/SO、IO1、IO2、IO3 信号时，这些信号仅在 CLK的下降沿发生转变。在 SDR 模式下接收数据时，QUADSPI 假定 Flash 也通过 CLK 的下降沿发送数据。默认情况下 (SSHIFT = 0 时)，将使用 CLK 后续的边沿（上升沿）对信号进行采样。
   
   3.5 DDR 模式
   
   若 DDRM 位 (QUADSPI_CCR[31]) 置 1，则 QUADSPI 在双倍数据速率 (DDR) 模式下工作。在 DDR 模式下，当 QUADSPI 在地址/交替字节/数据阶段驱动 IO0/SO、IO1、IO2、IO3 信号时，将在 CLK 的每个上升沿和下降沿发送 1 位。指令阶段不受 DDRM 的影响。始终通过 CLK 的下降沿发送指令。在 DDR 模式下接收数据时，QUADSPI 假定 Flash 通过 CLK 的上升沿和下降沿均发送数据。若 DDRM = 1，固件必须清零 SSHIFT 位 (QUADSPI_CR[4])。因此，在半个 CLK 周期后（下一个反向边沿）对信号采样。四线模式下DDR命令时序见图3。
   
   
   
   3.6 双闪存模式
   
   若 DFM 位 (QUADSPI_CR[6]) 为 1，QUADSPI 处于双闪存模式。QUADSPI 使用两个外部四线 SPI Flash（FLASH 1 和 FLASH 2），在每个周期中发送/接收 8 位（在 DDR 模式下为16 位），能够有效地将吞吐量和容量扩大一倍。每个 Flash 使用同一个 CLK 并可选择使用同一个 nCS 信号，但其 IO0、IO1、IO2 和 IO3 信号是各自独立的。双闪存模式可与单比特模式、双比特模式以及四比特模式结合使用，也可与 SDR 或 DDR 模式相结合。Flash 的大小在 FSIZE[4:0] (QUADSPI_DCR[20:16]) 中指定，指定的值应能够反映 Flash 的总容量，即单个组件容量的 2 倍。如果地址 X 为偶数，QUADSPI 赋给地址 X 的字节是存放于 FLASH 1 的地址 X/2 中的字节，QUADSPI 赋给地址 X+1 的字节是存放于 FLASH 2 的地址 X/2 中的字节。也就是说，偶地址中的字节存储于 FLASH 1，奇地址中的字节存储于 FLASH 2。
   
   在双闪存模式下读取 Flash 状态寄存器时，需要读取的字节数是单闪存模式下的 2 倍。这意味着在状态寄存器获取指令到达后，如果每个 Flash 给出 8 个有效位，则 QUADSPI 必须配置为 2 个字节（16 位）的数据长度，它将从每个 Flash 接收 1 个字节。如果每个 Flash 给出一个 16 位的状态，则 QUADSPI 必须配置为读取 4 字节，以在双闪存模式下可获取两个Flash 的所有状态位。结果（在数据寄存器中）的最低有效字节是 FLASH 1 状态寄存器的最低有效字节，而下一个字节是 FLASH 2 状态寄存器的最低有效字节。数据寄存器的第三个字节是 FLASH 1 的第二个字节，第四个字节是 FLASH 2 的第二个字节（Flash 具有 16 位状态寄存器时）。
   
   偶数个字节必须始终在双闪存模式下访问。因此，若 DRM = 1，则数据长度字段(QUADSPI_DLR[0]) 的位 0 始终保持为 1。
   
   在双闪存模式下，FLASH 1 接口信号的行为基本上与正常模式下相同。在指令、地址、交替字节以及空指令周期阶段，FLASH 2 接口信号具有与 FLASH 1 接口信号完全相同的波形。也就是说，每个 Flash 总是接收相同的指令与地址。然后，在数据阶段，BK1_IOx 和BK2_IOx 总线并行传输数据，但发送到 FLASH 1（或从其接收）的数据与 FLASH 2 中的不同。
   
   
   3.QUADSPI 间接模式
   
   
   在间接模式下，通过写入 QUADSPI 寄存器来触发命令；并通过读写数据寄存器来传输数据，就如同对待其他通信外设那样。
   
   若 FMODE = 00 (QUADSPI_CCR[27:26])，则 QUADSPI 处于间接写入模式，字节在数据阶段中发送到 Flash。通过写入数据寄存器 (QUADSPI_DR) 的方式提供数据。
   
   若 FMODE = 01，则 QUADSPI 处于间接读取模式，在数据阶段中从 Flash 接收字节。通过读取 QUADSPI_DR 来获取数据。
   
   读取/写入的字节数在数据长度寄存器 QUADSPI_DLR) 中指定。
   
   如果 QUADSPI_DLR =0xFFFF_FFFF（全为“1”），则数据长度视为未定义，QUADSPI 将继续传输数据，直到到达（由 FSIZE 定义的）Flash 的结尾。如果不传输任何字节，DMODE (QUADSPI_CCR[25:24])应设置为 00。如果 QUADSPI_DLR = 0xFFFF_FFFF 并且 FSIZE = 0x1F（最大值指示一个 4GB 的Flash），在此特殊情况下，传输将无限继续下去，仅在出现终止请求或 QUADSPI 被禁止后停止。在读取最后一个存储器地址后（地址为 0xFFFF_FFFF），将从地址 = 0x0000_0000开始继续读取。
   
   当发送或接收的字节数达到编程设定值时，如果 TCIE = 1，则 TCF 置 1 并产生中断。在数据数量不确定的情况下，将根据 QUADSPI_CR 中定义的 Flash 大小，在达到外部 SPI 的限制时，TCF 置 1。
   
   3.1 触发命令启动
   
   从本质上讲，在固件给出命令所需的最后一点信息时，命令即会启动。根据 QUADSPI 的配置，在间接模式下有三种触发命令启动的方式。在出现以下情形时，命令立即启动：
   
   1、 对 INSTRUCTION[7:0] (QUADSPI_CCR) 执行写入操作，如果没有地址是必需的（当ADMODE = 00）并且不需要固件提供数据（当 FMODE = 01 或 DMODE = 00）；
   
   2、 对 ADDRESS[31:0] (QUADSPI_AR) 执行写入操作，如果地址是必需的（当 ADMODE =00）并且不需要固件提供数据 （当 FMODE = 01 或 DMODE = 00）；
   
   3、 对 DATA[31:0] (QUADSPI_DR) 执行写入操作，如果地址是必需的（当 ADMODE != 00）并且需要固件提供数据（当 FMODE = 00 并且 DMODE != 00）。
   
   写入交替字节寄存器 (QUADSPI_ABR) 始终不会触发命令启动。如果需要交替字节，必须预先进行编程。如果命令启动，BUSY 位（QUADSPI_SR 的位 5）将自动置 1。
   
   3.2 FIFO 和数据管理
   
   在间接模式中，数据将通过 QUADSPI 内部的一个 32 字节 FIFO。FLEVEL5:0 指示 FIFO 目前保存了多少字节。
   
   在间接写入模式下 (FMODE = 00)，固件写入 QUADSPI_DR 时，将在 FIFO 中加入数据。字写入将在 FIFO 中增加 4 个字节，半字写入增加 2 个字节，而字节写入仅增加 1 个字节。如果固件在 FIFO 中加入的数据过多（超过 DL[31:0] 指示的值），将在写入操作结束（TCF置 1）时从 FIFO 中清除超出的字节。
   
   对 QUADSPI_DR 的字节/半字访问必须仅针对该 32 位寄存器的最低有效字节/半字。FTHRES[3:0] 用于定义 FIFO 的阈值 如果达到阈值，FTF（FIFO 阈值标志）置 1 在间接读取模式下，从 FIFO 中读取的有效字节数超过阈值时，FTF 置 1。从 Flash 中读取最后一个字节后，如果 FIFO 中依然有数据，则无论 FTHRES 的设置为何，FTF 也都会置 1。在间接写入模式下，当 FIFO 中的空字节数超过阈值时，FTF 置 1。
   
   如果 FTIE = 1，则 FTF 置 1 时产生中断。如果 DMAEN = 1，则 FTF 置 1 时启动数据传送。如果阈值条件不再为“真”（CPU 或 DMA 传输了足够的数据后），则 FTF 由 HW 清零。在间接模式下，当 FIFO 已满，QUADSPI 将暂时停止从 Flash 读取字节以避免上溢。请注意，只有在 FIFO 中的 4 个字节为空 (FLEVEL ≤ 11) 时才会重新开始读取 Flash。因此，若FTHRES ≥ 13，应用程序必须读取足够的字节以确保 QUADSPI 再次从 Flash 检索数据。否则，只要 11 < FLEVEL < FTHRES，FTF 标志将保持为“0”。
   
   
   4. QUADSPI Flash 配置
   
   
   外部 SPI Flash的参数可以通过配置寄存器 (QUADSPI_DCR)实现。这里配置Flash的容量是设置FSIZE[4:0] 字段，使用下面的公式定义外部存储器的大小：
   
   FSIZE+1 是对 Flash 寻址所需的地址位数。在间接模式下，Flash 容量最高可达 4GB（使用32 位进行寻址），但在内存映射模式下的可寻址空间限制为 256MB。如果 DFM = 1，FSIZE 表示两个 Flash 容量的总和。QUADSPI 连续执行两条命令时，它在两条命令之间将片选信号 (nCS) 置为高电平默认仅一个 CLK 周期时长。如果 Flash 需要命令之间的时间更长，可使用片选高电平时间 (CSHT) 字段指定 nCS 必须保持高电平的最少 CLK 周期数（最大为 8）。时钟模式 (CKMODE) 位指示命令之间的 CLK 信号逻辑电平（nCS = 1 时）。

原文地址：https://www.cnblogs.com/firege/p/9435349.html