QSPI硬件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能原理解析

QSPI協(xié)議介紹

QSPI全稱為“Queued SPI”，本質(zhì)上是屬于SPI協(xié)議的一種，一般來(lái)說(shuō)，SPI協(xié)議可以分為Standard SPI，Dual SPI，以及本文要講解的Queued SPI。只不過(guò)Dual SPI，Queued SPI常用于作為SPI Flash的通信接口。

功能應(yīng)用

QSPI作為一種隊(duì)列串行外圍接口協(xié)議，就是對(duì)SPI協(xié)議的擴(kuò)展，可以通過(guò)單線，雙線或四線模式與外部Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行高速通信。其功能應(yīng)用場(chǎng)景如下：

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，如代碼，圖像，視頻等，從而提高數(shù)據(jù)的讀寫速度與容量；

代碼執(zhí)行：QSPI用于執(zhí)行外部Flash存儲(chǔ)器的代碼，這樣可以節(jié)約內(nèi)部Flash的空間，如通過(guò)QSPI XIP模式從而實(shí)現(xiàn)在Memmap下執(zhí)行代碼；

與其他外圍設(shè)備進(jìn)行通信：QSPI也可支持與其他QSPI協(xié)議的外圍設(shè)備進(jìn)行通信，如傳感器，顯示器等，可以提高通信的效率與靈活性；

協(xié)議特點(diǎn)

QSPI協(xié)議作為一種SPI協(xié)議的擴(kuò)展，一般而言，可以分為兩種工作模式，即設(shè)置模式與Memmap模式，雖然也有些芯片存在三種，如STM32，不同芯片存在些許差異可以理解，本質(zhì)上可以歸納為上述兩者；

QSPI協(xié)議的命令序列包括指令、地址、交替字節(jié)、空指令和數(shù)據(jù)這五個(gè)階段，任一階段均可跳過(guò)，但至少要包含指令、地址、交替字節(jié)或數(shù)據(jù)階段之一；

一般而言，QSPI僅支持dual read 與quad read模式，不支持dual write與quad write兩種模式，同時(shí)也不會(huì)存在QSPI 輸入與輸出的loop back模式；

QSPI Flash驅(qū)動(dòng)說(shuō)明

雖然市面上存在許多的Flash驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商，但是基本都大同小異，本文已TI系列的QSPI Flash驅(qū)動(dòng)介紹舉例給大家介紹下其QSPI的硬件實(shí)現(xiàn)原理，讀寫操作模式以及EDMA搬運(yùn)等操作。

QSPI硬件實(shí)現(xiàn)原理

作為QSPI通信的雙方，本質(zhì)上來(lái)講都是主芯片端作為主設(shè)備，可以通過(guò)控制CS引腳來(lái)決定與外圍不同的Flash芯片進(jìn)行通信，同時(shí)通過(guò)輸出Clock時(shí)鐘來(lái)完成針對(duì)從設(shè)備的通信傳輸控制，如下圖所示：

圖1 QSPI硬件連接原理(圖片來(lái)源于TI官方文檔)

左圖為主芯片的內(nèi)部QSPI的控制器，右圖則為外部的支持QSPI協(xié)議的外部Flash，兩者之間通過(guò)QSPI協(xié)議接口連接，包含1個(gè)CLK引腳，1個(gè)CS引腳與4個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的IO引腳。

針對(duì)上圖中的內(nèi)容，小T將針對(duì)每個(gè)引腳做個(gè)較為詳細(xì)的介紹，如下表所示：

圖2 QSPI接口引腳功能定義

QSPI讀寫操作模式

通過(guò)上述文章我們了解到QSPI存在3線Single Write/Read模式，4線Single Write/ Read，Dual Read模式，6線Quad Read模式的6種QSPI讀寫方式，在具體的項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們一般推薦正常的寫入操作通過(guò)4線Single Write來(lái)寫入，讀取操作推薦采用6線Quad Read模式，這樣才能最大效率的利用Flash硬件自身特性，從而提高通信效率。

如下圖所示為QSPI 控制器的內(nèi)部組成關(guān)系，從中我們可以得出如下幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論：

圖3 QSPI控制器接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)(來(lái)源于TI官方文檔)

整個(gè)QSPI控制器可以分為SFI_MM_IF與SPI_CORE兩個(gè)模塊，其中SFI_MM_IF模塊主要負(fù)責(zé)讀寫指令，地址以及dummy cycle的個(gè)數(shù)等，而SPI_CORE主要負(fù)責(zé)芯片的時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位以及傳輸?shù)拈L(zhǎng)度等；

SFI_MM_IF接口由以下兩個(gè)部分組成：

SFI register control：用來(lái)實(shí)現(xiàn)上述讀寫指令的初始化設(shè)置；

SFI translator：將對(duì)應(yīng)的SFI register control中的讀寫指令發(fā)送至SPI_CORE模塊來(lái)外部Flash；

SPI_CORE模塊則是由如下四個(gè)部分組成：

SPI_CNTIF：SPI Control Interface，用于設(shè)置對(duì)應(yīng)的讀寫指令，時(shí)鐘極性或相位等，在配置模式下會(huì)使用到；

SPI_CLKGEN：SPI Clock Generator，用于設(shè)置通信相關(guān)的時(shí)鐘頻率；

SPI_MACHINE：SPI State Machine，將SPI_CNTIF中的相關(guān)讀寫指令作為輸入，然后控制數(shù)據(jù)的移位發(fā)送等；

SPI_SHIFTER：SPI Data Shifter，用來(lái)實(shí)現(xiàn)接口信號(hào)的捕捉與生成。

QSPI控制器支持兩種配置方式，一種是Config模式，另外一種則是Memmap方式；對(duì)于寫入操作不支持Memmap方式僅支持Config模式，對(duì)于讀取操作推薦使用Memmap方式，這樣便可以直接在芯片MCU的Memory Layout中看到相應(yīng)的外部Flash空間的代碼或者數(shù)據(jù)。

對(duì)于QSPI接口的通信雙方而言，需要確保兩者通信的時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位是一致的，時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位的組合有如下4種方式：

圖4 QSPI時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位關(guān)系圖

QSPI EDMA搬運(yùn)

當(dāng)通過(guò)QSPI去讀取大量數(shù)據(jù)時(shí)，我們推薦使用Memmap方式讀取+EDMA的方式來(lái)完成，因?yàn)橥ㄟ^(guò)該兩種技術(shù)手段的結(jié)合，我們便可以減小CPU負(fù)擔(dān)，直接讓EDMA去執(zhí)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取操作；

有關(guān)EDMA的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)理就不再本文進(jìn)行展開，后續(xù)將進(jìn)行單獨(dú)講解，歡迎多多關(guān)注小T。

AUTOSASR架構(gòu)下Flash驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)接口

小T將AUTOSAR架構(gòu)下針對(duì)Flash驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)接口以及相關(guān)需求列舉如下，這樣在我們使用Flash驅(qū)動(dòng)過(guò)程我們能夠快速的了解到Flash驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵API的具體功能與作用。

圖5 Flash驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)接口表

在使用上述標(biāo)準(zhǔn)的AUTOSAR Flash驅(qū)動(dòng)API也有很多需要注意的地方，小T將自己覺得需要特別注意的點(diǎn)列舉如下，這也是大家容易忽視的一些點(diǎn)：

在使用Flash驅(qū)動(dòng)其他讀，寫等接口之前，務(wù)必需調(diào)用Fls_Init完成初始化，否則后續(xù)的Flash操作請(qǐng)求將會(huì)無(wú)效；

如果你使用的是外部Flash并采用QSPI驅(qū)動(dòng)，請(qǐng)務(wù)必在Fls_Init之前執(zhí)行QSPI驅(qū)動(dòng)的初始化，保證一個(gè)有效的初始化過(guò)程；

在執(zhí)行Flash寫入操作時(shí)其寫入地址與長(zhǎng)度均需要與Flash的Page單位進(jìn)行對(duì)齊，如一般為256字節(jié)，具體還是取決于Flash芯片型號(hào)；

在執(zhí)行Flash擦除操作時(shí)，需確保其擦除地址與長(zhǎng)度與Flash的sector單位進(jìn)行對(duì)齊，如一般為4K，具體還是取決于Flash芯片型號(hào)；

Fls_Read, Fls_Write等關(guān)鍵API操作均屬于異步操作且不可重入，因此需確保Flash驅(qū)動(dòng)的被操作對(duì)象的唯一性，不要應(yīng)用層與Fee模塊沖突，統(tǒng)一通過(guò)NVM發(fā)送請(qǐng)求來(lái)完成Flash的操作；

QSPI Flash驅(qū)動(dòng)使用注意事項(xiàng)

小T在具體的軟件開發(fā)過(guò)程中，也遇到過(guò)很多跟Flash驅(qū)動(dòng)操作有關(guān)的問(wèn)題，這些問(wèn)題往往解決起來(lái)非常棘手，因?yàn)榉浅Ｅ及l(fā)且極難復(fù)現(xiàn)。

這類問(wèn)題更多時(shí)候還是我們?nèi)狈Ψ烙?a target="_blank">編程思維，沒(méi)有針對(duì)Flash可能失效的場(chǎng)景進(jìn)行全面的考慮，以下小T將我個(gè)人針對(duì)Flash驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)常見的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)列舉如下，希望能給大家后續(xù)的Flash驅(qū)動(dòng)開發(fā)帶來(lái)一些幫助與思考。

在每次系統(tǒng)啟動(dòng)或者復(fù)位的過(guò)程中，最為推薦的做法針對(duì)外部Flash同步進(jìn)行reset操作，該操作可以一般存在如下三種方式：

每次啟動(dòng)或者復(fù)位的過(guò)程中可通過(guò)硬件來(lái)操作Flash的上下電操作來(lái)完成Flash自身的重置；

通過(guò)軟件的方式來(lái)拉低Reset引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)外部Flash復(fù)位，這種方式需要考慮到引腳復(fù)用功能是否可用的可能性；

通過(guò)軟件的方式在初始化的過(guò)程中通過(guò)QSPI通信發(fā)送軟復(fù)位指令讓Flash芯片進(jìn)行重置；

如果需要針對(duì)外部的SPI Flash通過(guò)QSPI進(jìn)行通信，需要特別注意該SPI Flash芯片的QE位是否默認(rèn)使能，如果沒(méi)有使能，將無(wú)法采用QUAD SPI進(jìn)行通信，因此建議工廠端刷寫軟件過(guò)程中均需要主動(dòng)設(shè)置該QE位或者在軟件初始化過(guò)程中設(shè)置該QE位，該QE位一旦寫入掉電也會(huì)丟失，僅需寫入一次即可；

在執(zhí)行Flash初始化過(guò)程中需要針對(duì)Flash外部型號(hào)，如Manufacture ID等設(shè)備號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，確保不會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)芯片型號(hào)貼錯(cuò)的場(chǎng)景；

在軟件運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)會(huì)偶發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)跑飛意外執(zhí)行操作Flash驅(qū)動(dòng)寫或者擦除操作導(dǎo)致用戶程序遭到破壞，從而軟件無(wú)法正常啟動(dòng)，因此有必要針對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用程序代碼空間進(jìn)行Flash寫保護(hù)，這樣即使程序死機(jī)復(fù)位后整個(gè)系統(tǒng)也能夠再次正常啟動(dòng)。

編輯：黃飛

?