电子设计常用总线--QSPI

今天被打算学习一下QSPI的相关知识，以外惊喜发现了SPI协议的其他家族成员，我们常说的SPI协议其实是包括：Standard SPI（3-wire）、Dual SPI（4-wire）和Queued SPI（6-wire）三种协议接口。Standard SPI通常就称SPI，有4根信号线，分别为CLK、CS、MOSI和MISO。Dual SPI通常只是针对SPI Flash而言，并不应用于所Standard SPI和Dual SPI不是今天要学习的重点，QSPI才是今天的主角，QSPI与Dual SPI类似，也是应用于SPI Flash的操作，6线制的QSPI Flash是在4线制DSPI Flash的基础上增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit数据，显而易见的是对于SPI Flash而言，在相同的时钟速率下，数据线数目越多，传输速率越高。下面就QSPI的相关知识进行简单总结，以备后续学习查阅。

有SPI外设，操作SPI Flash往往是向Flash中写入数据或者单纯读取Flash中存储的数据，基本不用实时的数据交互，导致SPI全双工通讯的优势并没有发挥出来，因此扩展了MOSI和MISO的用法，让它们工作在半双工模式，用以加倍数据传输。在操作Dual SPI Flash时，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样MOSI变成SIO0（Serial IO 0），MISO变成SIO1（Serial IO 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。

QSPI(Queued Serial Peripheral Interface,队列串行外设接口)

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，推出了队列串行外设接口协议。使用QSPI接口，用户可以一次性传输包含多达16个8位或16位数据的传输队列。而且QSPI一旦启动传输，直到传输结束，传输过程都不需要CPU干预，极大的提高了传输效率。在总线结构上QSPI与SPI相比最大的结构特点是以80字节的RAM代替了SPI的发送和接收数据寄存器。

该接口可以在以下三种模式下工作：

间接模式：使用 QSPI 寄存器执行全部操作

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）

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

QSPI常见的功能框图如下图所示

QSPI使用6根信号连接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），适用于一个主设备上挂多个外设Flash的情况下选择要操作的目标Flash。QSPI通讯以BK1_nCS线拉低为开始信号，以BK1_nCS线被拉高作为结束信号。

(2)CLK：时钟输出，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。

(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。

(5)BK1_IO2：在四线模式中为双向IO。

(6)BK1_IO3：在四线模式中为双向IO。

QSPI命令序列

QSPI通过命令与Flash通信，每条命令包括指令、地址、交替(复用)字节、空指令和数据共五个阶段，而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。QSPI四线模式下的读命令时序如下图所示。

1)指令阶段

这一阶段，将在QSPI_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QSPI_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QSPI_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QSPI_AR寄存器的ADDRESS[31:0]中指定；在内存映射模式下，则通过AHB（来自于内核或DMA）直接给出地址。地址阶段可一次发送1位（单线SPI模式通过SO）、2位（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QSPI_CCR[17:16]寄存器的ABSIZE[1:0]字段中进行配置。待发送的字节在QSPI_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QSPI_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QSPI_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QSPI_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QSPI_DR寄存器。在间接读取模式下，通过读取QSPI_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。

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