QSPI协议

QSPI是Queued SPI（队列串行外围接口）的缩写，是由摩托罗拉公司推出的SPI协议的一个扩展，比SPI应用更加广泛，现在的FLASH、SRAM等存储器大多支持QSPI协议——QSPI是一种专用的通信接口，可连接单、双或四线SPI存储器

QSPI在SPI协议的基础上增加了队列传输机制。

STM32将Queued SPI协议接口实现为QUADSPI接口。QSPI的实现和SPI基本相似，有部分不同点，在下面列出。

物理连接

QSPI是标准的四信号线SPI，MCU与外设之间由六根线连接：NSS、IO0、IO1、IO2、IO3、SCLK，其中IO0-3是数据线；NSS又称CS，是片选信号线；SCLK又称SCK，是SPI/QSPI的同步时钟线

通信规则

读写命令

有且仅有一条数据线工作

读写数据

四条数据线同时工作

读写地址位时四条数据线发送不同的地址，从机自行分辨，引导向各自的地址；读写具体数据时根据对应的地址读写

STM32F1中的SPI特性

• 三线全双工同步传输

• 双线/三线单工同步传输

• 8位/16位传输帧格式选择

• 主从操作、支持多主模式

• 8个主模式波特率分频系数（最高可达f P C L K / 2 f_{PCLK}/2fPCLK/2）

• 硬件/软件可调的SS（CS片选信号）管理

• 相关底层配置可编程

• 可触发中断的发送/接收标志

• SPI总线忙碌标志位

• 支持硬件CRC校验

• 支持DMA

STM32F4中的SPI实现

特性

• 支持SPI的TI模式（主要是片选信号差异，用于TI系的IC）

• 支持F1的全部功能

与F1的功能基本一致，满足SPI接口的使用需要

硬件实现

1. 寄存器配置SPI设置

2. 波特率发生器配置SCLK

3. MOSI、MISO通过移位寄存器进行收发数据，接收数据即将数据从移位寄存器中复制到RxFIFO；发送数据即将数据放入TxFIFO后送入移位寄存器

4. 主控制逻辑电路和通信控制电路调配相关收发过程

HAL库实现

直接将收发数据封装为库函数

STM32F7中的SPI特点

• 支持F4的所有功能

• 可调传输帧格式4位到16位（对应原来的8位/16位传输帧格式选择）

• 具有DMA功能的两个32位内置Rx、Tx FIFO缓存

STM32H7中的SPI实现

特性

• 支持F7的所有功能

• 数据帧格式大小可从4位到32位

• 双时钟域，外设内核时钟可以独立于PCLK

• 更高的主频，8个主模式波特率预分频器（没有改动），主从模式频率均最高可达内核频率的1/2（f F C L K / 2 f_{FCLK}/2fFCLK/2）

• 保护配置和设置

• 数据之间的最小延时、SS与数据流之间的最小延时均可调

• 底层配置可编程，支持SS信号极性、时序可编程和MISOxMOSI交互功能

• 可调节的主器件接收器采样时间

• 配备停止模式（不向外设IP提供时钟）

• 具有停止模式下从器件发送/接收功能和低功耗唤醒功能

• 可编程的FIFO阈值（数据打包）

• 可编程的传输数据量

• 具有DMA功能的Rx、Tx FIFO容量扩大到16x8位或8x8位且可选

• 从模式下，下溢条件可配置，支持级联循环缓冲区

H7的SPI控制器比之前版本的控制器自由度更高（但大部分情况下用不上）

硬件实现

与之前的SPI控制器基本相同，但多了双时钟域的功能块：时钟寄存器控制时钟发生器工作，可以由SPI_PCLK或SPI_KER_CK提供时钟，SPI_KER_CK时钟直接提供给时钟发生器，进而用于SCK或MCK

软件配置

1. 在CubeMX中根据外设IC配置GPIO复用和SPI相关设定

2. CubeMX会使能外设时钟、配置SPI模式、地址、速率等参数并使能SPI外设；模式设定与f4设定基本类似，可参考【STM32F4外设配置速查总线协议部分】

3. 编写对应外设IC的驱动程序

4. 设置检验程序，上电后检验驱动程序及外设连接情况

5. 编写应用程序

STM32F7/H7中的QSPI实现

QUADSPI主要用于控制SPI FLASH器件（只要满足QSPI时序就可以控制其他器件），工作在以下三种模式：

1. 间接模式：使用QUADSPI寄存器执行全部操作

2. 状态轮询模式：周期性轮询外部FLASH状态寄存器，如果为1（擦除/烧写完毕）则引发中断

3. 内存映射模式：外部FLASH映射到MCU片上SRAM地址空间，系统将其视作内部FLASH存储器进行操作（

   内部FLASH只读

   ）

特别地，采用双闪存模式时，将同时访问两个QSPI FLASH，吞吐量和容量*2

特性

• 双闪存模式：并行访问两块FLASH，同时收发8位数据

• 支持SDR和DDR模式

• 集成接收/发送FIFO

• 允许8、16、32位数据访问

• 间接模式下可使用DMA

• 可使能的FIFO溢出、超时、操作完成、访问错误中断（异常）

硬件实现

可以实现单线、双线、四线SPI功能

与SPI控制器的不同点主要在于：FIFO和外设寄存器直接接入AHB总线

双闪存模式下，外设引脚复用可选择一个CS信号线或两个CS信号线

其他内容可参考MCU数据手册

软件配置

1. 基本配置同上

外部SPI FLASH驱动代码如下，与上面的代码差别不大

/* W25Q256.h文件的函数声明 */

void NORFLASH_Init(void); //初始化W25QXX

void NORFLASH_Qspi_Enable(void); //使能QSPI模式

void NORFLASH_Qspi_Disable(void); //关闭QSPI模式

u16  NORFLASH_ReadID(void); //读取FLASH ID

u8 NORFLASH_ReadSR(u8 regno); //读取状态寄存器 

void NORFLASH_4ByteAddr_Enable(void); //使能4字节地址模式

void NORFLASH_Write_SR(u8 regno,u8 sr); //写状态寄存器

void NORFLASH_Write_Enable(void);  //写使能 

void NORFLASH_Write_Disable(void); //写保护

void NORFLASH_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite); //写flash,不校验

void NORFLASH_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead);    //读取flash

void NORFLASH_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite); //写入flash

void NORFLASH_Erase_Chip(void);      //整片擦除

void NORFLASH_Erase_Sector(u32 Dst_Addr); //扇区擦除

void NORFLASH_Wait_Busy(void);            //等待空闲

/* W25Q256.c文件全部内容 */

#include "norflash.h"

#include "qspi.h"

#include "delay.h"

#include "usart.h" 

u16 NORFLASH_TYPE=W25Q256; //使用W25Q256

u8 NORFLASH_QPI_MODE=0; //QSPI模式标志:0,SPI模式;1,QSPI模式

/**

 * 4Kbytes为一个Sector（扇区）

 * 16个扇区为1个Block（块）

 * W25Q64容量为8M字节,共有128个Block,2048个Sector，W25Q256刚好是它的4倍

 */

//初始化SPI FLASH的IO口

void NORFLASH_Init(void)

{ 

u8 temp;

QSPI_Init(); //初始化QSPI

  NORFLASH_Qspi_Enable(); //使能QSPI模式

NORFLASH_TYPE=NORFLASH_ReadID(); //读取FLASH ID

if(NORFLASH_TYPE==W25Q64)

{

NORFLASH_Write_Enable(); //写使能

QSPI_Send_CMD(W25X_SetReadParam,0,(3<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

        //QSPI设置读参数指令,地址为0,4线传数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,1个字节数据

temp=3<<4; //设置P4&P5=11,8个dummy clocks,104M

QSPI_Transmit(&temp,1); //发送1个字节

}

printf("ID:%xrn",NORFLASH_TYPE); //打印FLASH参数

}  

//W25QXX进入QSPI模式 

void NORFLASH_Qspi_Enable(void)

{

u8 stareg2=0;

stareg2=NORFLASH_ReadSR(2); //先读出状态寄存器2的原始值 

//printf("stareg2:%xrn",stareg2); //打印参数

if((stareg2&0X02)==0) //QE位未使能

{ 

NORFLASH_Write_Enable(); //写使能 

stareg2|=1<<1; //使能QE位

NORFLASH_Write_SR(2,stareg2); //写状态寄存器2

}

QSPI_Send_CMD(W25X_EnterQPIMode,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(1<<0),0);

    //写command指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_单线传输指令,无空周期,0个字节数据

NORFLASH_QPI_MODE=1; //标记QSPI模式

}

//W25QXX退出QSPI模式

void NORFLASH_Qspi_Disable(void)

{ 

QSPI_Send_CMD(W25X_ExitQPIMode,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

    //写command指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,0个字节数据

NORFLASH_QPI_MODE=0;//标记SPI模式

}

/* 读取W25QXX的状态寄存器 */

//W25QXX一共有3个状态寄存器

//状态寄存器1：

//BIT7  6   5   4   3   2   1   0

//SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY

//SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用

//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置

//WEL:写使能锁定

//BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)

//默认:0x00

//状态寄存器2：

//BIT7  6   5   4   3   2   1   0

//SUS   CMP LB3 LB2 LB1 (R) QE  SRP1

//状态寄存器3：

//BIT7      6    5    4   3   2   1   0

//HOLD/RST  DRV1 DRV0 (R) (R) WPS ADP ADS

//regno:状态寄存器号，范:1~3

//返回值:状态寄存器值

u8 NORFLASH_ReadSR(u8 regno)   

{  

u8 byte=0,command=0; 

    switch(regno)

    {

        case 1:

            command=W25X_ReadStatusReg1;    //读状态寄存器1指令

            break;

        case 2:

            command=W25X_ReadStatusReg2;    //读状态寄存器2指令

            break;

        case 3:

            command=W25X_ReadStatusReg3;    //读状态寄存器3指令

            break;

        default:

            command=W25X_ReadStatusReg1;    

            break;

    }   

if(NORFLASH_QPI_MODE)

        QSPI_Send_CMD(command,0,(3<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

    //QSPI模式,写command指令,地址为0,4线传数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,1个字节数据

else

        QSPI_Send_CMD(command,0,(1<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(1<<0),0);

    //SPI模式,写command指令,地址为0,单线传数据_8位地址_无地址_单线传输指令,无空周期,1个字节数据

QSPI_Receive(&byte,1);

return byte;

}   

//写W25QXX状态寄存器

void NORFLASH_Write_SR(u8 regno,u8 sr)   

{   

    u8 command=0;

    switch(regno)

    {

        case 1:

            command=W25X_WriteStatusReg1;    //写状态寄存器1指令

            break;

        case 2:

            command=W25X_WriteStatusReg2;    //写状态寄存器2指令

            break;

        case 3:

            command=W25X_WriteStatusReg3;    //写状态寄存器3指令

            break;

        default:

            command=W25X_WriteStatusReg1;    

            break;

    }   

if(NORFLASH_QPI_MODE)

        QSPI_Send_CMD(command,0,(3<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

    //QPI,写command指令,地址为0,4线传数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,1个字节数据

else

        QSPI_Send_CMD(command,0,(1<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(1<<0),0);

        //SPI,写command指令,地址为0,单线传数据_8位地址_无地址_单线传输指令,无空周期,1个字节数据

QSPI_Transmit(&sr,1);

}  

//W25QXX写使能

//将S1寄存器的WEL置位

void NORFLASH_Write_Enable(void)

{

if(NORFLASH_QPI_MODE)

        QSPI_Send_CMD(W25X_WriteEnable,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

    //QPI,写使能指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,0个字节数据

else

        QSPI_Send_CMD(W25X_WriteEnable,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(1<<0),0);

    //SPI,写使能指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_单线传输指令,无空周期,0个字节数据

} 

//W25QXX写禁止

//将WEL清零  

void NORFLASH_Write_Disable(void)   

{  

if(NORFLASH_QPI_MODE)

        QSPI_Send_CMD(W25X_WriteDisable,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(3<<0),0);

    //QPI,写禁止指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_4线传输指令,无空周期,0个字节数据

else

        QSPI_Send_CMD(W25X_WriteDisable,0,(0<<6)|(0<<4)|(0<<2)|(1<<0),0);

    //SPI,写禁止指令,地址为0,无数据_8位地址_无地址_单线传输指令,无空周期,0个字节数据 

} 

//返回值如下:    

//0XEF13,表示芯片型号为W25Q80  

//0XEF14,表示芯片型号为W25Q16    

//0XEF15,表示芯片型号为W25Q32  

//0XEF16,表示芯片型号为W25Q64 

//0XEF17,表示芯片型号为W25Q128   

//0XEF18,表示芯片型号为W25Q256

u16 NORFLASH_ReadID(void)

{

u8 temp[2];

u16 deviceid;

if(NORFLASH_QPI_MODE)

        QSPI_Send_CMD(W25X_ManufactDeviceID,0,(3<<6)|(2<<4)|(3<<2)|(3<<0),0);

    //QPI,读id,地址为0,4线传输数据_24位地址_4线传输地址_4线传输指令,无空周期,2个字节数据

else

        QSPI_Send_CMD(W25X_ManufactDeviceID,0,(1<<6)|(2<<4)|(1<<2)|(1<<0),0);

    //SPI,读id,地址为0,单线传输数据_24位地址_单线传输地址_单线传输指令,无空周期,2个字节数据

QSPI_Receive(temp,2);

deviceid=(temp[0]<<8)|temp[1];

return deviceid;

}    

//读取SPI FLASH,仅支持QSPI模式

//在指定地址开始读取指定长度的数据

//pBuffer:数据存储区

//ReadAddr:开始读取的地址(最大32bit)

//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)

void NORFLASH_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   

{ 

QSPI_Send_CMD(W25X_FastReadData,ReadAddr,(3<<6)|(2<<4)|(3<<2)|(3<<0),8);

    //QPI,快速读数据,地址为ReadAddr,4线传输数据_24位地址_4线传输地址_4线传输指令,8空周期,NumByteToRead个数据