22 FlexSPI—读写外部 SPI NorFlash

本文主要是介绍22 FlexSPI—读写外部 SPI NorFlash，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

22.1 SPI 协议简介

22.1.1 SPI物理层

SPI 通讯使用 3 条总线及片选线，3 条总线分别为 SCK、MOSI、MISO。

SS( Slave Select)片选信号线，也称为 NSS、CS

• 每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线
• 当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平

SCK (Serial Clock)：时钟信号线，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

22.1.2 协议

SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。

• MOSI 及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。
• 一般都会采用MSB 先行模式。
• 数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在 SCK 的下降沿时被采样。
• SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

22.1.3 CPOL/CPHA 及通讯模式

SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。

• 时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号。CPOL=0 时，SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。
• 时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻
  • 当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。
  • 当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。
    由 CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式。实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。
    

22.1.4 扩展 SPI 协议

为了适应更高速率的通讯需求，半导体厂商扩展 SPI 协议，主要发展出了 Dual/Quad/Octal SPI 协议，加上标准 SPI 协议（Single SPI），这四种协议的主要区别是数据线的数量及通讯方式

扩展的三种 SPI 协议都是半双工的通讯方式，也就是说它们的数据线是分时进行收发数据的。

• 双线 SPI（Dual SPI）的两根线都具有收发功能，但在同一时刻只能是发送或者是接收
• 四线 SPI（Quad SPI）和八线 SPI（Octal SPI）与双线 SPI（Dual SPI）类似，只是数据线量的区别。

22.1.5 SDR 和 DDR 模式

SDR 模式（单倍速率 Single Data Rate）和 DDR 模式（双倍速率 DoubleData Rate）。

• 在标准 SPI 协议的 SDR 模式下，只在 SCK 的单边沿进行数据传输，即一个 SCK时钟只传输一位数据
• 在它 DDR 模式下，会在 SCK 的上升沿和下降沿都进行数据传输，即一个 SCK 时钟能传输两位数据，传输速率提高一倍。

22.2 RT1052 的 FlexSPI 特性及架构

RT1052 芯片也集成了专门用于 SPI 协议通讯的外设 FlexSPI、LPSPI

• LPSPI 主要定位于通用的 SPI 通讯
• FlexSPI 外设除了支持 SPI 通讯外还提供了很多与存储器相关的特性，所以 FlexSPI 外设通常用于与使用 SPI 协议的存储设备进行通讯。

22.2.1 RT1052 的 FlexSPI 外设简介

NXP 以 Flex 形容它的 SPI 外设是因为它使用起来非常灵活

• Single/Dual/Quad/Octal 模式的传输（即 1/2/4/8 根数据线的传输）
• 支持 SDR/DDR 通讯模式
  • 在 SDR 模式下，它仅支持 SPI 中的模式 0（CPOL=0，CPHA=0）
• 支持控制 SPI 接口的串行 NOR/NAND Flash 设备、HyperBus 协议设备以及 FPGA 设备。
• 支持读写单个串行 FLASH 以及读写多个并联的串行 FLASH 的模式
• 支持把存储器地址映射至通过 AHB 总线读写，即后面说明的 AHB 命令模式。
• 支持使用 DMA 进行访问，从而减少 CPU 的介入。
• 支持以下多种模式以适配不同的功耗状态：模块关闭模式（Module Disable mode）、打盹儿模式（Doze mode）、停止模式（Stop mode）以及正常模式（Normal mode）。
• 最多支持 4 个存储设备，每个存储设备最大容量为 4GB，连接多个存储设备时容量的总和也不能超过 4GB。

22.2.2 RT1052 的 FlexSPI 架构剖析

22.2.2.1 通讯引脚

FlexSPI 外设包含有 A/B 两组 SPI 通讯接口，每组接口最多可外接 2 个设备，即 A1、A2、B1 和 B2。
RT1052 的 FlexSPI A 组引脚：

这些引脚与外部 SPI Flash 设备的连接的方式

当 FlexSPI 工作于 Octal 模式（八线 SPI）时，它会以 SIOB[3:0] 数据信号线作为高 4 位的数据线，此时仅 A 组可以工作，B 组不能使用。

22.2.2.2 指令查找表 LUT

FlexSPI 外设中包含有一个指令查找表 LUT（Look Up Table），上图第 ② 部分 SEQ_CTL（序列控制逻辑）的主要内容

• 用来预存储访问外部设备时可能使用到的指令
• 对 FLASH 进行访问时，FlexSPI 会从查找表 LUT 中获取相应的指令然后通过 SPI 接口对 FLASH 发起通讯。

查找表 LUT 的构成：

• 第 ① 部分是查找表 LUT 视图，它表示查找表 LUT 有 0~N 个序列；
• 第 ② 部分是序列视图，它表示 1 个序列中包含有 8 个指令
• 第 ③ 部分是指令视图，表示指令由 opcode（指令编码）、num_pads（数据线的数目）、operand(指令参数) 三个寄存器域构成。

这些指令的存储位置是 FlexSPI 外设中的寄存器 LUT0~LUT63

• 每个 LUT 寄存器可以缓存 2 个指令
• 1 个指令序列（8 个指令）由 4 个寄存器构成
• 这些寄存器构成了一个完整的 LUT 表

LUT寄存器
OPCODE：指令编码

• 由 FlexSPI 定义的一些基本指令码
  • 向 FLASH 发送控制命令的 CMD_SDR 指令 OPCODE 为 0x01；
  • 发送行地址到 FLASH 的指令 OPCODE 为 0x02等

NUM_PADS：进行 SPI 通讯时使用的数据线的数目

• 1. 0x0：Single 模式
• 2. 0x1：Dual 模式
• 3. 0x2：Quad 模式
• 4. 0x3：Octal 模式

OPERAND：指令参数

• 部分 OPCODE 指令包含参数，这些参数就由 OPERAND 设定
• 参数的具体作用由相应的 OPCODE 决定。

查找表 LUT 的常用指令

查找表支持两套有同功能不同模式的指令

• 如 CMD_SDR 和 CMD_DDR 的 OPCODE 为0x01 和 0x21，它们分别表示使用 SDR 模式和 DDR 模式的 CMD 指令，它们的功能一样，都是向 FLASH 发送命令代码。
• 其它指令类似，大都有 SDR 和 DDR 模式。

数据线的数目由 NUM_PADS 指定。

• 不同指令可以使用不同的数据线数目。
  • 一些 FLASH 存储器的命令只使用一根数据线（Single 模式）
  • 快速读写的命令则可支持 Dual、Quad 模式

OPERAND 参数在不同指令下作用不同：

• 对于 CMD_SDR 指令，此时要发送的 FLASH 命令代码就是 CMD_SDR 指令的参数

  • 例如 W25Q256 型号的 FLASH 的读取 ID 命令代码为 0xAB，当 RT1052 要读取FLASH 的 ID 时，利用 CMD_SDR 指令同时把命令代码 0xAB 赋予到 OPERAND

• 对于 RADDR_SDR 指令，功能是向 FLASH 发送要读写的存储单元地址，该地址由IPCR0 寄存器指定，同时 OPERAND 域用于指定地址的长度。

  • 例如部分 FLASH 的空间比较小，只使用 16 位来表示地址，那么该命令的 OPERAND 域的值就应为 16，对于 W25Q256这种地址为 24 或 32 位的存储器，OPERAND 域的值就应设置为 24 或 32。

• 对于 DUMMY_SDR 指令，它的功能是释放 FlexSPI 对数据线的控制，在这种情况下可通过 OPERAND 指定该过程要占多少个 SCK的周期数。

数据传输指令的数据缓冲区位置分两种情况。WRITE_SDR 和 READ_SDR 指令分别用于向FLASH 写入和读取数据

• 在 AHB 命令模式下：数据缓存在 AHB_TX_BUF（发送缓冲区）以及AHB_RX_BUF（接收缓冲区）中，此时要传输的字节数由 AHB 突发传输的大小和类型决定。
• 在 IP 命令模式下：数据缓存在 IP_TX_FIFO（发送缓冲区）以及 IP_RX_FIFO（接收缓冲区）中，此时要传输的字节数可通过寄存器 IPCR1 的 DATSZ 域指定。

操作通常使用序列的形式并配合 STOP 指令（停止指令）使用

• 以上说明的各个指令通常不会单独执行，而是组成一个指令序列，对于指令数不满 8 个的序列，需要使用 STOP 指令表示结束。

如一个使用 IP 命令模式的读取操作：

• 1. 使用 CMD_SDR 指令向发送 FLASH 的读取命令，如 W25Q256 的 Quad 模式读取命令编码为 0x6B，此时 CMD_SDR 指令的 OPERAND 域为 0x6B；
• 2. 使用 RADDR_SDR 指令发送要读取的 FLASH 存储单元地址，OPERAND 域的值为 24 表示使用 24 位的地址，而地址具体的值由寄存器 IPCR0 设定；
• 3. 按照 FLASH 的 Quad 模式读取命令的要求发送占 8 个 SCK 时钟的 DUMMY 操作，此时使用 DUMMY_SDR 指令且 OPERAND 域的值设置为 8；
• 4. 使用 READ_SDR 指令，开始接收 FLASH 的数据到 IP_RX_FIFO 中，要读取的字节数由寄存器 IPCR1 的 DATSZ 域指定；
• 5. 由于使用的指令不足 8 个字节，在该序列的最后使用 STOP 指令表示停止，当 FlexSPI 执行到 STOP 指令时，会释放 SPI 的片选信号 CS，结束通讯。

22.2.2.3 命令仲裁器

上图第 ③ 部分是 ARB_CTL（仲裁器逻辑），它主要用来决定执行哪一套命令。

• 其后有一个AHB_CTL（AHB 命令控制逻辑）和 IP_CTL（IP 命令控制逻辑），它们分别代表了内核对 FlexSPI的两种控制方式。
• 仲裁器逻辑就是决定它们谁拥有对前面逻辑单元（SEQ_CTL 和 IO_CTL）的控制权。

22.2.2.4 IP 命令控制逻辑

第 ④ 部分 IP_CTL 是 IP 命令控制逻辑，它包含 IP_RX_FIFO 和 IP_TX_FIFO 用来缓冲收发的数据，它们均为 16*64Bits 大小。

• IP_CTL 连接至 32 位的 ARM IP 总线，通过它可以向ARB_CTL（仲裁器逻辑）发送控制命令，从而利用 FlexSPI 访问外部 SPI 设备

IP 命令的控制流程如下：

• (1) 往 IP_TX_FIFO 填充要传输的数据；
• (2) 通过 IPCR0 寄存器设置要写入的 FLASH 内部存储单元的首地址，要传输的数据大小以及要执行的 LUT 命令序列的编号；
• (3) 对寄存器 IPCMD 的 TRG 位置 1 触发 FlexSPI 访问；
• (4) 检查寄存器 INTR 的 IPCMDDONE 位以等待至 FlexSPI 外设执行完该指令；
• (5) 若执行的命令序列有会接收数据，那么接收到的数据会被缓存至 IP_RX_FIFO 中

22.2.2.5 AHB 命令控制逻辑

第⑤部分AHB_CTL是AHB命令控制逻辑

• 它包含有128×64Bits大小的AHB_RX_BUF和 8×64Bits 大小的 AHB_TX_BUF 用来缓冲收发的数据
• AHB_CTL 连接至 64 位的 AHBP 总线，通过它可以向 ARB_CTL（仲裁器逻辑）发送控制命令，从而 FlexSPI 访问外部 SPI 设备。

使用 AHB 命令的方式是直接访问 RT1052 内部的 0x600 0000-0x1000 0000 地址

• 这些地址的读写访问会触发 FlexSPI 产生 SPI 控制时序，然后对连接的 FLASH 内部存储单元进行读写，这种功能称为地址映射。

例如

• 把外部 NOR Flash 存储器的内部地址 0x0 映射到 RT1052 的 0x60000000 地址
• 初始化好FlexSPI 后，我们直接使用指针读取 RT1052 的 0x60000000 地址
• 自动触发 FlexSPI外设访问外部的 NOR Flash 存储器的 0x0 地址获得数据
• 访问时它会自动使用 AHB_RX_BUF 及AHB_TX_BUF 缓冲数据。

AHB 命令仅支持对 FLASH 存储单元的读写访问，对 FLASH 存储器的工作模式或状态寄存器的读取需要使用 IP 命令实现。

22.2.2.6 驱动时钟

FlexSPI 外设的驱动时钟，它的 SCK 线的时钟信号是由 ipg_clk_sfck 提供的，即 FlexSPI 根时钟 FLEXSPI_CLK_ROOT
FlexSPI 根时钟有 4 个可选输入来源：

• semc_clk_root_pre：这是未经过 SEMC“时钟门”的 SEMC 根时钟 SEMC_CLK_ROOT
  • 如果选择本输入源的话，不打开 SEMC 的时钟门它也是可以正常输入到 FlexSPI 的。
• pll3_sw_clk：该时钟来源即为 PLL3，常规配置为 480MHz。
• PLL2 PFD2：该时钟常规配置为 396MHz。
• PLL3 PFD0：该时钟常规配置为 720MHz。

选择的时钟源经过 FlexSPI 的时钟门之后，还有一个 3 位的分频器，它可对时钟源进行 1~8 分频，分频后得到 FlexSPI 根时钟 FLEXSPI_CLK_ROOT。

22.3 FlexSPI 初始化配置结构体

FlexSPI 的初始化结构体及函数定义在库文件“fsl_flexspi.h”及“fsl_flexspi.c”中

 /*! @brief FLEXSPI 初始化配置结构体 */typedef struct _flexspi_config {/*!< 选择读取 FLASH 使用的采样时钟源 */flexspi_read_sample_clock_t rxSampleClock;/*!< 是否使能 SCK 自由运行输出 */bool enableSckFreeRunning;/*!< 是否使能 PORT A 和 PORT B 的数据引脚组合 (SIOA[3:0] 和 SIOB[3:0]) 以支持FLASH 的 8 位模式 */bool enableCombination;/*!< 是否使能 doze 模式 */bool enableDoze;/*!< 是否使能 为半速率命令而对时钟 2 分频 的功能 */bool enableHalfSpeedAccess;/*!< 是否使能 SCKB 用作 SCKA 的差分时钟，当使能时， PORT B 的 FLASH 无法访问 */bool enableSckBDiffOpt;/*!< 是否使能对所有连接的设备使用同样的配置，当使能时，FLSHA1CRx 寄存器的配置会应用到所有设备 */bool enableSameConfigForAll;/*!< 命令序列执行的等待超时周期， ahbGrantTimeoutCyle*1024 个串行根时钟周期后超时 */uint16_t seqTimeoutCycle;/*!< IP 命令授予等待超时周期， ipGrantTimeoutCycle*1024 个 AHB 时钟周期后超时  */uint8_t ipGrantTimeoutCycle;/*!< FLEXSPI IP 发送水印值 */uint8_t txWatermark;/*!< FLEXSPI 接收水印值 */uint8_t rxWatermark;struct {/*!< 使能 AHB 总线对 IP TX FIFO 的写访问 */bool enableAHBWriteIpTxFifo;/*!< 使能 AHB 总线对 IP RX FIFO 的写访问 */bool enableAHBWriteIpRxFifo;/*!< AHB 命令授予等待超时周期，在 ahbGrantTimeoutCyle*1024 个 AHB 时钟周期后超时 */uint8_t ahbGrantTimeoutCycle;/*!< AHB 读写访问超时周期， ahbBusTimeoutCycle*1024 个 AHB 时钟后超时 */uint16_t ahbBusTimeoutCycle;/*!< 在暂停命令序列恢复之前空闲状态的等待周期， ahbBusTimeoutCycle 个 AHB时钟后超时 */uint8_t resumeWaitCycle;/*!< AHB 缓冲区信息 */flexspi_ahbBuffer_config_t buffer[FSL_FEATURE_FLEXSPI_AHB_BUFFER_COUNT];/*!< 是否使能当 FLEXSPI 返回停止模式响应时自动清除 AHB RX 和 TX 缓冲 */bool enableClearAHBBufferOpt;/*!< 是否使能 AHB 预读取特性，当使能时， FLEXSPI 会读取比当前 AHB 突发读取更多的数据 */bool enableAHBPrefetch;/*!< 是否使能 AHB 缓冲写访问的功能，当使能时， FLEXSPI 会在等待命令执行完成前就返回 */bool enableAHBBufferable;/*!< 是否使能 AHB 总线缓冲读访问的功能 */bool enableAHBCachable;} ahbConfig;} flexspi_config_t;

rxSampleClock

• 寄存器位 MCR0[RXCLKSRC]，本成员用于配置读取 FLASH 使用的采样时钟源，它是一个枚举类型变量

 /*! @brief 选择给读取 FLASH 使用的 FlexSPI 采样时钟源 */typedef enum _flexspi_read_sample_clock {/*!< 伪读选通脉冲由 FlexSPI 控制器产生并在内部回环 */kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackInternally = 0x0U,/*!< 伪读选通脉冲由 FlexSPI 控制器产生并从 DQS 引脚回环 */kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackFromDqsPad = 0x1U,/*!< 使用 SCK 输出时钟以并从 SCK 引脚回环 */kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackFromSckPad = 0x2U,/*!< Flash 提供读选通脉冲并从 DQS 引脚输入 */kFLEXSPI_ReadSampleClkExternalInputFromDqsPad = 0x3U,} flexspi_read_sample_clock_t;

enableSckFreeRunning

• 寄存器位 MCR0[SCKFREERUNEN]，本成员用于配置是否使能 SCK 的输出自由运行（free-running）的功能
• 该功能通常应用在与 FPGA 设备相关的应用中，它会以 SCK 作为参考时钟自己内部 PLL 的输入。

enableCombination

• 寄存器位 MCR0[COMBINATIONEN]，本成员用于配置是否使能图 22‑11 中的PORT A 和 PORT B 组合模式
• 在组合模式中会同时使用 PORTA[3:0] 及 PORTB[3:0] 的数据线，通过这种方式，可以对有 8 根数据信号线的 FLASH 进行读写。

enableDoze

• 寄存器位 MCR0[DOZEEN]，本成员配置是否使能 Doze 模式
• 使能了 doze 模式后，即使 RT1052 芯片处于低功耗 stop 运行状态时 FlexSPI 也能正常工作。

enableHalfSpeedAccess

• 寄存器位 MCR0[HSEN]，本成员配置是否使能对 SCK 时钟进行 2 分频以降低访问速率。

enableSckBDiffOpt

• 寄存器位 MCR2[SCKBDIFFOPT]，本成员配置是否把 SCKB 用作 SCKA 的差分时钟，使用 2 线差分的形式可以提高抗干扰的能力。
• 不过此时 PORT B 就不能再用于 FLASH 的时钟信号，也就是无法使用了。

enableSameConfigForAll

• 寄存器位 MCR2[SAMEDEVICEEN]，本成员配置是否使能所有连接的设备都用同样的配置
• 如果使能的话，FLASHA1CRx 寄存器的配置会被应用到所有的设备。

seqTimeoutCycle

• 寄存器位 MCR1[SEQWAIT]，本成员设置命令序列执行的等待超时周期
• 设置结果为 seqTimeoutCycle*1024 个 FlexSPI 根时钟周期后超时，超时后可产生中断且会忽略 AHB 命令。若本成员设置为 0 则不使用本功能。

ipGrantTimeoutCycle

• 寄存器位 MCR0 [IPGRANTWAIT]，本成员配置 IP 命令授予等待超时周期
• 触发 IP 命令后，若命令仲裁器在 ipGrantTimeoutCycle*1024 个 AHB 时钟周期后还不允许执行该命令，则可触发中断。
• 本功能仅支持调试模式，使用时直接设置为默认值即可，且不能设置为 0！

txWatermark

• 寄存器位 IPTXFCR [TXWMRK]，本成员配置 IP 发送的水印值，单位为字节。
• 当IP_TX_FIFO 的空余的程度大于或等于该水印值时，可触发 IPTXWE 中断
• 同时也可触发 DMA 请求从而往 IP_TX_FIFO 填充要传输的数据。

rxWatermark

• 寄存器位 IPRXFCR [RXWMRK]，本成员配置接收的水印值，单位为字节。
• 当IP_RX_FIFO 接收的数据超过该水印值时，可触发 IPRXWA 中断
• 同时也可触发DMA 请求把数据从 IP_RX_FIFO 转移出去

在 flexspi_config_t 中的一个 ahbConfig 结构体类型的成员，它主要用于配置 AHB 总线的各项参数：
enableAHBWriteIpTxFifo

• 寄存器位 MCR0 [ATDFEN]，配置是否使能 AHB 总线通过映射地址对 IP_TX_FIFO 的写访问。
  • 0x7F800000-0x11000400
• 使能后，可通过 AHB 总线映射的地址向 IP_TX_FIFO 写入内容，此时通过 IP 总线写入 IP_TX_FIFO 的操作会被忽略，但不会出现错误标志
• 若不使能，可通过 IP 总线写入 IP_TX_FIFO，此时通过 AHB 总线的写入操作会被忽略，且会产生错误标志。

enableAHBWriteIpRxFifo

• 寄存器位 MCR0 [ARDFEN]，配置是否使能 AHB 总线通过映射地址对 IP_RX_FIFO 的读访问。
  • 0x7FC00000-0x10000200
• 与 enableAHBWriteIpTxFifo 的类似，用于控制使用 AHB 还是 IP 进行读操作。

ahbGrantTimeoutCycle

• 寄存器位MCR0[AHBGRANTWAIT]，与ipGrantTimeoutCycle成员类似，ahbGrantTimeoutCycle 用于配置 AHB 命令授予等待超时周期
• 触发 AHB 命令后，若命令仲裁器在在 ahbGrantTimeoutCyle*1024 个 AHB 时钟周期后还不允许执行该命令，会触发中断。
  • 注意本功能同样仅支持调试模式，使用时直接设置为默认值即可，且不能设置为 0

ahbBusTimeoutCycle

• 寄存器位 MCR1 [AHBBUSWAIT]，配置 AHB 读写访问超时周期
• 在超过 ahbBus-TimeoutCycle*1024 个 AHB 时钟周期后，仍没接收到数据或没发送出数据则表示访问超时，触发时可产生 AHBBUSTIMEOUT 中断。

resumeWaitCycle

• 寄存器位 MCR2[RESUMEWAIT]，配置在暂停命令序列恢复之前，等待空闲状态的周期
• 等待超过 resumeWaitCycle 个 AHB 时钟后超时。

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