利用QuadSPI外擴(kuò)串行NOR Flash的實(shí)現(xiàn)

小融一號(hào)

前言

STM32提供了靈活多樣的外擴(kuò)存儲(chǔ)器的訪問實(shí)現(xiàn)。本文將介紹如何利用QSPI(QuadSPI) 外擴(kuò)串行NOR Flash存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先對(duì)QSPI接口功能特性進(jìn)行介紹，然后分別介紹硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。并基于STM32CubeM提供訪問MICRON N25Q128A13EF840F的實(shí)現(xiàn)參考。

一 實(shí)現(xiàn)環(huán)境

開發(fā)板：STM32F469G-DISCO

開發(fā)庫(kù)：STM32CubeF4 v1.16.0

STM32CubeMX: v4.22.0

集成開發(fā)環(huán)境：IAR v7.70.1.11486

實(shí)現(xiàn)過(guò)程在STM32F469I-DISCO板上展開，利用板上已有的串行NORFlash存儲(chǔ)器（MICRON N25Q128A13EF840F），呈現(xiàn)整個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)。在本文中，首先根據(jù)QSPI接口，介紹QSPI與外擴(kuò)串行存儲(chǔ)器的硬件連接。另外，Cube軟件包中包含QSPI實(shí)例，本文對(duì)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)的QSPI例不做討論，讀者可參考這些QSPI例程進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文圍繞由STM32CubeMX生成的工程，介紹如何實(shí)現(xiàn)對(duì)外擴(kuò)串行NOR Flash存儲(chǔ)器的訪問。

二 QSPI介紹

在呈現(xiàn)QSPI訪問外擴(kuò)Flash的實(shí)例前， 需要對(duì)QSPI有一定的了解，在此對(duì)QSPI進(jìn)行簡(jiǎn)短的介紹。更多內(nèi)容請(qǐng)參考AN4760。

QSPI（Quad-SPI）支持四線串行訪問形式。同時(shí)，QSPI支持傳統(tǒng)SPI和Dual-SPI模式，Dual-SPI模式支持兩線串行訪問。與FMC/FSMC比較，QSPI支持更低成本、更小封裝外部串行Flash存儲(chǔ)器，更少的IO引腳占用，有效減少PCB面積，降低PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

下表是QSPI在不同系列STM32產(chǎn)品線的支持情況（僅部分羅列，未涵蓋所有支持型號(hào)）。

QSPI接口提供了靈活可配置的5個(gè)階段，如下圖所示（時(shí)序圖根據(jù)配置不同可能存在差異）。分別是命令階段、地址階段、復(fù)用字節(jié)階段、Dummy階段和數(shù)據(jù)階段。可以根據(jù)外擴(kuò)Flash中命令時(shí)序?qū)Σ煌�階段進(jìn)行配置。后續(xù)會(huì)以實(shí)例進(jìn)行呈現(xiàn)。更多內(nèi)容請(qǐng)參考AN4760。

QSPI支持三種模式，分別是：

間接模式  所有操作通過(guò)QSPI寄存器實(shí)現(xiàn)，類似于傳統(tǒng)SPI，可以使用阻塞模式、中斷模式或者DMA模式進(jìn)行讀寫等訪問。本文中提供的實(shí)現(xiàn)例為間接模式下的實(shí)現(xiàn)。

狀態(tài)輪詢模式 接口自動(dòng)輪詢指定寄存器，直到回讀寄存器內(nèi)容與指定條件匹配。可應(yīng)用于狀態(tài)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)忙等待等效果。本文不對(duì)此模式進(jìn)行介紹，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可參考Cube軟件包中QSPI例程。

存儲(chǔ)器映射模式 外擴(kuò)Flash被視為內(nèi)部存儲(chǔ)器，支持AHB主器件直接訪問，CPU能夠直接運(yùn)行位于QSPI存儲(chǔ)器的執(zhí)行代碼。內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示（以STM32F469/F479為例）。本文不對(duì)此模式進(jìn)行介紹，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可參考Cube軟件包中QSPI例程QSPI_ExecuteInPlace。

三 QSPI外擴(kuò)串行Flash的實(shí)現(xiàn)

3.1 串行Flash介紹

以MICRON N25Q128A13EF840F為例，更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考存儲(chǔ)器手冊(cè)。N25Q128A13EF840F引腳圖、時(shí)序圖和電氣參數(shù)來(lái)源于N25Q128A13 手冊(cè)文檔。

支持協(xié)議： SPI, Dual I/O（對(duì)應(yīng)Dual-SPI）, Quad I/O（對(duì)應(yīng)Quad-SPI）

支持訪問模式：?jiǎn)尉�訪問、雙線訪問、四線訪問，得益于QSPI接口的靈活可配性，三種訪問模式全部支持。

供電電壓范圍：2.7 ~ 3.6V

最大時(shí)鐘頻率：108MHz

存儲(chǔ)空間： 128Mb （16MB）

器件引腳示意圖如下所示。由兩根電源引腳和六根QSPI信號(hào)線構(gòu)成。

下表為存儲(chǔ)器N25Q128A13xxx命令（未列出全部命令）。通過(guò)下表可知，存儲(chǔ)器提供了靈活的訪問實(shí)現(xiàn)形式，結(jié)合同樣靈活可配置的QSPI接口，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)器命令全支持。本文僅提供設(shè)計(jì)思路，呈現(xiàn)了部分命令在QSPI上的實(shí)現(xiàn)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

涉及到的信號(hào)線少，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需直接將QSPI的六根信號(hào)線與存儲(chǔ)器連接即可。考慮到可測(cè)性，可以增加串行電阻或者測(cè)試點(diǎn)。硬件電路圖如下所示。

QSPI接口PCB設(shè)計(jì)遵循如下幾點(diǎn)，更多硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容請(qǐng)參考AN4488。

a. 線阻 50Ω± 10%

b. 最大線長(zhǎng) <120mm

c. 避免在不同信號(hào)層走信號(hào)線

d. 時(shí)鐘線至少離其他信號(hào)線3倍線寬距離

e. 數(shù)據(jù)信號(hào)線長(zhǎng)差 ≤10mm

f. 避免時(shí)鐘線采用蛇形走線，同時(shí)盡量減少數(shù)據(jù)線上過(guò)孔。

3.3 軟件開發(fā)流程

3.4 軟件實(shí)現(xiàn)例

在環(huán)境搭建完成后，就可以利用STM32CubeMX根據(jù)硬件連接情況，進(jìn)行QSPI配置，獲取IAR工程。具體軟件實(shí)現(xiàn)流程如下。

四 小結(jié)

STM32的QuadSPI接口靈活可配，對(duì)于命令階段、地址階段、復(fù)用字節(jié)階段、Dummy階段和數(shù)據(jù)階段都可以進(jìn)行配置。基于這種靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)市面上SPI、Dual IO、Quad IO的串行Flash支持。出于簡(jiǎn)化考慮，QSPI支持的中斷訪問及DMA訪問等更多功能沒有在本文進(jìn)行介紹，更多實(shí)現(xiàn)可以參考ST提供的Cube軟件包中的QSPI例程。另外，不同廠家的串行Flash命令及操作實(shí)現(xiàn)略有差異，具體以采用的Flash文檔描述為準(zhǔn)。

相關(guān)文檔

AN4760  Quad-SPI (QSPI) interface onSTM32 microcontrollers

AN4488  Getting started withSTM32F4xxxx MCU hardware development

RM0386  STM32F469xx and STM32F479xxadvanced ARM®-based 32-bit MCUs

更多有關(guān)QSPI配置及代碼解讀的內(nèi)容細(xì)節(jié)可添加下方技術(shù)QQ群進(jìn)行下載閱讀。

技術(shù)QQ群：258644475