手把手系列--STM32 QSPI操作指南

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一、目的

        前段时间淘了一块STM32H750XBH6_ArtPi开发板，板载两颗华邦的Flash芯片，一颗为W25Q64JV（8Mbytes），通过STM32H750XBH6的QUADSPI控制用于XIP；一颗为W25Q128JV（16Mbytes）用于数据存储。

        然后W25Q64JV使用Quad SPI方式连接，W25Q128JV使用标准SPI连接。

        本博文基于此开发板从基础给大家介绍一下STM32 Quad SPI的功能。

        按照惯例，我们从官网找到如下资料。

        参考ST官方Quad SPI使用文档

        

                        Quad-SPI接口一般用于数据存储或者用于代码执行。

                另外官网还有一个特别好的中文资料

              

二、介绍

        QUADSPI系统框图

        STM32系列芯片上的Quad-SPI允许主机和外部Quad-SPI存储设备之间进行四根数据线通信；其支持传统的SPI也支持双线模式；Quad-SPI使用最多6根线。

         

                 我们开发板上的芯片为STM32H750XBH6，其Quad-SPI支持的SDR（单时钟速率下）最大时钟频率为133MHz, DDR（双时钟速率下）为100MHz；硬件FIFO最大32字节，支持双Flash，即BINK1和BINK2，并且这两个BANK可以级联组成一个8线的外部存储；内存映射模式下最大支持256Mbytes的大小，间接模式下支持4Gbytes空间。

        

        在内存映射模式下，Quad-SPI接口被映射到AHB总线上，也就是说AHB总线可以直接读取数据（即通过指针直接读取）。

         

                 Quad-SPI接口提供了一个完全可配置的帧格式，最大包含五个阶段并且每个阶段都可以完全配置（也就是说每个阶段的数据长度和数据线数完全可以独立配置）。

                从上图我们可以看到这五个阶段分别为指令阶段、地址阶段、交替（可选）字节阶段、空指令阶段、数据阶段。一般情况下都是会有指令阶段。进行数据读写时一般包括指令、地址、数据阶段l；特殊情况下尤其是高速数据读写时需要设置空指令周期（和外部Flash芯片强相关）。

        指令阶段

        

                 指令阶段只可以发送一个字节的数据，通过往寄存器QUADSPI_CCR[7:0]的INSTRUCTION字段写入即可。指令可以通过1/2/4线发送。一般1线的比较常见。

        

               IMODE[1:0]=00代表没有指令阶段。

             

        地址阶段

         地址阶段可以发送1/2/3/4个字节，写入QUADSPI_AR寄存器即可；可以通过1/2/4线发送，通过ADSIZE指定地址字节长度，通过ADMODE指定是否有地址/1线/2线/4线模式。

     

           交替字节阶段

 

         通过ABSIZE指定发送的1/2/3/4字节，通过ABMODE指定是否有交替字节、1/2/4线发送。选项字节写入QUADSPI_ABR寄存器。

        空指令阶段

        

                         空指令周期用于高速通信的场景中，用于确保数据信号从输出模式转变为输入模式。

                        通过DCYC[4:0]最大可以设置31个周期。

                        注意：如果使用了QUADSPI硬件配置并且此周期内使用Quad-SPI或者Dual-SPI模式，则IO2被硬件强制设置为0来金庸写保护功能并且IO被硬件强制设置为1来禁用保持功能。

        数据阶段

                 数据阶段可以配置读写任意字节的数据。通过QUADSPI_DLR设置数据长度，通过QUADSPI_DR寄存器读写数据；

                在内存映射模式下只能读取数据，其通过QUADSPI FIFO进行读取。总线矩阵上的任意主机都可以将其当作内部存储进行读取数据。

        

                数据阶段可以1/2/4线发送，也可以没有数据阶段。如果QUADSPI_DLR=0xFFFFFFFF，则数据传输直到字节数等于FSIZE。 

        硬件配置

                上图是标准SPI模式。注意IO0只能输出，IO1只能输入。

 

                上图是dual-SPI模式，注意注意IO0/IO1为双向通信。

                上图是Quad-SPI模式，注意注意IO0/IO1/IO2/IO3为双向通信。 

         双闪存模式

        

                双闪存模式下，指令、地址、交替字节、空指令周期同时发送给BINK1和BINK2。

        三种操作模式

        间接模式

                 间接模式用于读写、擦除操作；所有的操作都是通过QUADSPI数据寄存器来执行，可以使用CPU也可以使用中断和DMA；也用于配置Quad-SPI Flash内存。

                传输的数据通过数据寄存器和FIFO。

                自动轮询模式用于检测Flash内存中的状态寄存器的改变并产生中断，在检查擦除或者编程操作时特别有用（检查擦除或者编程是否完成）。

                状态标志轮询模式

                    用于读取Quad-SPI Flash内存的状态以及用于检测擦除或者编程的完成。开发者可以配置轮询周期以及轮询的掩码和匹配模式（与/或）；当匹配发生时，自动产生中断并且停止。    

         内存映射模式

                用于读操作；将外部Quad-SPI Flash存储空间看作是内部空间，这样任何AHB主设备就可以自动读取；使用内存映射模式，QuadSPI自动管理预取机制，这可以优化外部Flash的读写执行性能 。

                

                内存映射模式下最大访问大小为256Mbytes，访问地址为0x90000000 - 0x9FFFFFFF；

                代码可以直接从外部Quad-SPI存储器里面执行。

        不支持直接从外部Quad-SPI Flash启动，但是可以先从内部Flash启动，然后配置QUADSPI为内存映射模式，然后就可以从外部Quad-SPI Flash执行代码。　

         

        上图是内存映射模式下建议的MPU设置为strongly-ordered类型，关于这个知识点请参考 

理解STM32上的MPU和Cache (一)_coder.mark的博客-CSDN博客_单片机mpuhttps://blog.csdn.net/tianizimark/article/details/124698926

         中断描述

                 总共有5个中断，分别为超时、状态匹配（状态轮询模式时）、FIFO达到阈值（间接模式）、传输完成（间接模式下QUADSPI_DLR指定的字节数的数据已经发送完成）（所有模式下传输被终止）、传输错误（间接模式下地址越界）；

                使用中断必须使能QUADSPI全局中断。

        DMA描述

                间接模式下可以DMA读写外部Quad-SPI Flash，内存映射模式下只支持读取。

                在DMA模式下，DMA负责过程控制。

                当QUADSPI FIFO达到阈值条件并且DMAEN位已经设置，则QUADSPI产生DMA请求到DMA控制器。

                如果DMAEN已经为1，如果需要更改FTHRES/FMODE则DMA控制器必须先禁用。

三、实战

        经过上面的讲解，大家应该对QUADSPI已经有了一个大致了解，下面我们通过代码工程来进一步加深理解。

        本篇我们只讲述CPU轮询方式控制，至于中断和DMA方式的实现，后面再给大家讲解。（要先给大家讲解一下移植FreeRTOS，不然中断或者DMA模式跟轮询的方式效果上没有大的差别）。

        下面我们来创建一个工程，为了简单我们还是使用STM32CubeMX生成一个Keil MDK工程

        参考《手把手系列--使用STM32CubeMX生成代码工程》

        为方便学习，这边提供的已经准备好的工程给大家下载

        链接：https://pan.baidu.com/s/1G_k7gXvPgc9O-sy3aqGBpw 
        提取码：r2fl

        工程中我们提供了W25Q64JV的驱动源码，下面我们根据源码一一讲解如何使用Quad-SPI。

        我们在Keil MDK工作下添加W25Q64JV分组用于存放其驱动代码。

         在主函数中我们做了如下操作

        

         初始化HAL，设置系统时钟，设置GPIO，设置QUADSPI，初始化并复位W25Q64JV；然后我们读取了一下W25Q64JV的ID，如果成功则先读取一下地址为0的4Kbytes的数据，然后我们进行写数据，再读取出来，通过调试模式，查看test_buf的数据是否跟我们代码设置的一样。

         关于W25Q64JV的描述请参考《手把手系列--华邦W25Q64JV Flash操作指南》。

        我们就以W25Q64JV的写使能命令为例说明

        

         首先我们先来看QSPI_CommandTypeDef这个结构体

        

        Instruction字段设定我们需要发送的指令，当前我们设定为W25Q64JV_WRITE_ENABLE（0x06）;

        Address字段设定我们需要发送的地址（当前指令下不需要发送地址）；

        AlternateBytes字段设定交替字节阶段的数据（当前指令下不需要交替字节）；

        AddressSize字段设定地址阶段的字节数（当前指令下不需要地址）；

        AlternateBytesSize字段设定交替字节阶段的字节数（当前指令下不需要交替字节）；

        DummyCycles字段设定空指令阶段的周期数（当前指令下不需要空指令）；

        InstructionMode字段设定指令的发送方式，即选用1/2/4线进行指令的发送；根据W25Q64JV芯片手册说明，我们应该选用一线，即QSPI_INSTRUCTION_1_LINE；

        AddressMode字段设定地址的发送方式，即选用1/2/4线进行地址的发送（当前指令下不需要发送地址字节）；

        AlternateByteMode字段设定交替字节的发送方式，即选用1/2/4线进行交替字节的发送（当前指令下不需要发送交替字节）；

        DataMode字段设定数据的发送方式，即选用1/2/4线进行交替字节的发送（当前指令下不需要发送数据）；

        NbData字段设定需要发送的数据字节的数量（当前指令下不需要发送数据）；

        DdrMode字段设定使用double date rate，即双数据速率，即一个时钟周期内发送两个bit（当前指令下不需要）；

        当我们设定好结构体相关字段后，我们就可以调用HAL_QSPI_Command接口发送请求，由于这条指令只有发送没有接收，所以我们不需要调用HAL_QSPI_Receive获取数据。

        这其实是Quad-SPI间接模式的使用（即通过STM32 Quad-SPI寄存器来控制W25Q64JV）。

        接下来我们再分析一下这条函数调用

        HAL_QSPI_AutoPolling(&hqspi, &cmd, &conf, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE)

        首先我们需要看下cmd这个变量，我们设定了Instruction为W25Q64JV_STATUS_REG1（读W25Q64JV状态寄存器1的值）；

        我们又定义了一个QSPI_AutoPollingTypeDef类型的变量

        

        字段Match设定匹配值；

        字段Mask设定需要匹配掩码；

        字段Interval设定状态轮询的周期；

        字段StatusBytesSize设定读取的状态字节数；

        字段MatchMode设定匹配的模式（与、或）；

        字段AutomaticStop设定匹配成功后是否自动停止；

        由于我们需要检测状态寄存器1的bit1位是否为1（WEL位为1）；故我们如下设定：

        

         这其实是Quad-SPI状态轮询机制的使用。

        QSPI_W25Q64JV_WriteEnable这个接口就是W25Q64JV进行擦除、页编程必须要调用的。

        下面我们再看下擦除操作的代码

        

         在擦除接口中，我们首先先发送了写使能指令，然后发送了擦除指令并且设置了擦除首地址，注意该接口入参SectorAddress必须时4096的整数倍，这个是由Flash芯片决定的；擦除指令发送完后我们通过状态轮询模式检查Flash是否真正擦除完毕。

                我们再看一下写数据接口 

        特别要注意的是QSPI_W25Q64JV_Write这个接口实现细节，这个接口会根据当前Flash内部的数据来决定是否需要先进行擦除然后再页编程。

        首先我们通过对入参WriteAddr取整获取该地址所在的区号，取余获取该地址在区内的偏移。

        然后读取该区的所有数据并判断从区内偏移处往后的数据是否全为0xFF；如果是则说明不需要擦除，可以直接编程；否则我们需要擦除整个区，并把当前要写入的数据填充到w25q64jv_buf对应位置后再编程。

        

        至于其他接口的实现细节，大家可以阅读源码分析。

至此，STM32 Quad-SPI的基础知识基本讲解完毕，后续要继续添加中断和DMA的使用。