Flash簡介

Flash存儲器，又叫做閃存，是一種非易失性存儲器。具有操作方便讀寫速度快等優(yōu)點。一般用于存儲操作系統(tǒng)和程序代碼，或者用于數(shù)據(jù)存儲。Flash的存儲單元組織為塊陣列，塊是擦除操作的最小單位，擦除操作將塊內(nèi)的所有為置位為1，頁是讀寫操作的基本單位。在對頁進行寫操作前，要判斷該頁內(nèi)所有位是否為1。如果全部為1可以寫操作，否則要對整塊進行擦除操作（Flash只能從1反轉(zhuǎn)到0）。Flash在內(nèi)部結(jié)構(gòu)（接口）上主要分為Nor flash 和NAND flash。Nor Flash ：寫入和擦除的速度低；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；存儲容量較?。灰话阌糜诖鎯ootloader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼，可以在芯片內(nèi)部直接運行代碼。NAND Flash ：寫入和擦除的速度較快；結(jié)構(gòu)簡單，成本低；存儲容量較大；一般用于存儲材料和數(shù)據(jù)。

Flash在外部接口上主要分為CFI flash 和SPI（STD/Dual/Quad） flash。CFI flash 讀寫速度快，需要的硬件引腳多且不同容量的硬件不兼容；而SPI（STD/Dual/Quad） flash讀寫速度慢，需要的硬件引腳少且不同容量的硬件兼容。

QSPI Flash簡介

介紹

Quad-SPI閃存控制器是位于PS內(nèi)的輸入/輸出外設(shè)（IOP）的一部分。它用于訪問多位串行閃存設(shè)備，以實現(xiàn)高吞吐量和低引腳數(shù)應(yīng)用。

控制器可以以三種模式運行： I / O模式 ，線性尋址模式和 傳統(tǒng)SPI模式 。

在I / O模式下，軟件與閃存設(shè)備協(xié)議緊密交互，所以在該模式下需要對協(xié)議進行詳細了解。軟件通過使用四個TXD寄存器將閃存命令和數(shù)據(jù)寫入控制器。軟件通過讀取RXD寄存器。

線性尋址模式使用設(shè)備操作的子集來消除I / O模式讀取閃存所需的軟件開銷。也就是說線性尋址模式比IO模式要快的多。線性模式采用硬件來向閃存發(fā)出命令，并控制從flash到AXI接口的數(shù)據(jù)?？刂破黜憫?yīng)AXI接口上的存儲器請求，就好像閃存是ROM存儲器。

在傳統(tǒng)模式下，QSPI控制器充當(dāng)普通的SPI控制器。

控制器可以與一或兩個閃存設(shè)備接口。可以并行連接兩個設(shè)備以實現(xiàn)8位性能，也可以以堆疊的4位布局連接以最大程度地減少引腳數(shù)。

系統(tǒng)框圖

QSPI Flash 控制器的系統(tǒng)框圖如下所示：

從上圖中可知， QSPI Flash 控制器通過 MIO 與外部 Flash 器件連接，支持三種模式：單個從器件模式、雙從器件并行模式和雙從器件堆疊模式。雙從器件并行模式把每個flash的IO進行單獨連接，擴展成8位用于控制對不同flash的訪問。而雙從器件堆疊模式，使用SS片選信號進行區(qū)分flash的使能，所以想擴展 QSPI Flash 的存儲容量，可以使用雙從器件并行模式。

當(dāng)使用單個設(shè)備時，直接存儲器讀取的地址映射從FC00_0000開始，最大為FCFF_FFFF（16 MB）。兩臺設(shè)備系統(tǒng)的地址映射取決于存儲設(shè)備和I / O配置。

QSPI Flash 控制器內(nèi)部框圖

由上圖可知，在線性地址模式下，使用的是AXI的接口進行數(shù)據(jù)交互的，首先由AXI總線讀取到響應(yīng)的指令，并存到Command FIFO，然后使用AXI to SPI的命令轉(zhuǎn)化器傳輸?shù)竭x擇器。在IO模式下，使用的是APB接口直接把接收到的信號傳輸給選擇器進行選擇。然后選擇器進行功能選擇后傳輸?shù)絋xFIFO，接著把Tx FIFO的數(shù)據(jù)進行串行化，然后通過MIO引腳發(fā)送。接收部分原理相反，而且可以看出在線性地址模式下，接收信號的轉(zhuǎn)換使用的是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。所以在線性地址模式下，只支持讀取數(shù)據(jù)，不支持發(fā)送數(shù)據(jù)。

流程控制

在數(shù)據(jù)傳輸期間，I / O模式具有不同的流控制模式。用戶可以在自動和手動模式之間進行選擇，該模式由config_reg.MANSTARTEN（Man_start_com）控制。在自動模式下，包括芯片選擇控制在內(nèi)的整個傳輸過程都在硬件中完成。無需軟件干預(yù)。在手動模式下，用戶控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。在這種情況下，軟件要么將整個傳輸序列寫入TxFIFO，要么直到TxFIFO已滿。在手動模式下，用戶除了控制傳輸開始之外，還可以選擇控制芯片選擇。從命令開始，軟件再次將傳輸序列寫入TxFIFO，直到TxFIFO已滿。然后，軟件拉高CS，然后手動啟動進行硬件管理。

編程指南

在xilinx給出的UG585指導(dǎo)手冊中，對QSPI Flash 控制器編程設(shè)計進行了指導(dǎo)開發(fā)，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計需要參考指導(dǎo)手冊中的編程順序?qū)崿F(xiàn)自己的應(yīng)用功能。

啟動順序

1. 配置時鐘。
2. 配置發(fā)送/接收信號。（以上兩步在vivado底層搭建中已經(jīng)完成設(shè)計）
3. 重置控制器。
4. 配置控制器。

配置控制器

該步驟適用于線性尋址和I / O模式。它配置了控制器的波特率，F(xiàn)IFO，flash模式，時鐘相位/極性和對環(huán)回延遲進行編程。

1. 配置控制器。寫入qspi.Config_reg寄存器。a. 設(shè)置波特率[BAUD_RATE_DIV]。b. 選擇主模式，[MODE_SEL] = 1。C. 選擇flash模式（不是傳統(tǒng)SPI），[LEG_FLSH] = 1。d. 選擇Little Endian，[endian] = 0。e. 將FIFO寬度設(shè)置為32位[FIFO_WIDTH]。F. 設(shè)置時鐘相位[CLK_PH]和極性[CLK_POL]。
2. 啟用回送時鐘。如果使用回送時鐘，確保將qspi.Config_reg [BAUD_RATE_DIV]設(shè)置為0b00，并使用以下設(shè)置配置qspi.LPBK_DLY_ADJ（回送延遲調(diào)整）寄存器：a. 設(shè)置為選擇內(nèi)部時鐘。qspi.LPBK_DLY_ADJ [USE_LPBK] = 1。b. 將時鐘延遲設(shè)置為0。qspi.LPBK_DLY_ADJ [DLY0] = 0b00。c. 設(shè)置時鐘延遲1. qspi.LPBK_DLY_ADJ [DLY1] = 0b00。

線性尋址模式

線性尋址模式下數(shù)據(jù)讀?。ù鎯ζ髯x取）的操作順序如下：

1. 將手動啟動啟用設(shè)置為自動模式。設(shè)置qspi.Config_reg [Man_start_en] = 0。
2. 使能片選信號。設(shè)置qspi.Config_reg [PCS] = 0。
3. 將配置寄存器編程為線性尋址模式。
4. 啟用控制器。設(shè)置qspi.En_REG [SPI_EN] = 1。
5. 從線性地址存儲區(qū)讀取數(shù)據(jù)。內(nèi)存范圍取決于大小和設(shè)備數(shù)量。范圍是從0xFC00_0000到0xFDFF_FFFF。
6. 禁用控制器。設(shè)置qspi.En_REG [SPI_EN] = 0。
7. 取消使能片選信號。設(shè)置qspi.Config_reg [PCS] = 1。

配置I / O模式

使用I / O模式進行讀取和寫入編程步驟如下：

1. 啟用手動模式。qspi.Config_reg [Man_start_en，Manual_CS] = 1。
2. 配置flash設(shè)備。對單個閃存設(shè)備使用qspi.LQSPI_CFG寄存器的重置值。如果是并行雙閃存設(shè)備，則將1寫入TWO_MEM，SEP_BUS位字段。
3. 使能片選。設(shè)置qspi.Config_reg [PCS] = 0。
4. 啟用控制器。設(shè)置qspi.En_REG [SPI_EN] = 1。
5. 將字節(jié)序列寫入閃存。使用TXD從1到4字節(jié)寫入TxFIFO寄存器。
6. 避免TxFIFO溢出。當(dāng)TxFIFO為空時，可以寫入252個字節(jié)。此后，軟件可以通過讀取qspi.Intr_status_REG [TX_FIFO_full]并等待直到它等于0之后再寫入TXD寄存器，來避免TxFIFO溢出。
7. 啟用中斷。寫入qspi.Intrpt_en_REG。
8. 開始數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)置qspi.Config_reg [Man_start_com] = 1。
9. 中斷處理程序：在編程/讀取操作期間，將所有需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絈SPI flash，并傳輸?shù)絈uad-SPI flash。
10. 如果執(zhí)行了讀取操作：重新排列READ數(shù)據(jù)以消除由于空循環(huán)而讀取的數(shù)據(jù)。
11. 取消使能片選信號。設(shè)置QSPI.Config_reg [PCS] = 1。
12. 禁用控制器。設(shè)置qspi.En_REG [SPI_EN] = 0。

I/O模式中斷服務(wù)程序

配置ISR以根據(jù)Quad-SPI器件類型處理中斷條件。要從Quad-SPI器件讀取數(shù)據(jù)，最簡單的ISR從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)并將內(nèi)容寫入TxFIFO?？刂破魃上到y(tǒng)外設(shè)中斷（SPI），IRQ ID＃51。對以下兩種情況進行觸發(fā)中斷。a. 讀取傳輸中斷。RxFIFO不為空中斷 b. 寫傳輸中斷。TxFIFO未完全中斷

I/O模式中斷

中斷僅在I / O模式下使用。只要滿足任何中斷條件，控制器中斷就被置為有效。Quad-SPI中斷處理程序檢查中斷原因。單個中斷服務(wù)程序可以管理所有中斷條件。

Rx和Tx的中斷處理程序

中斷處理程序由IRQ ID＃51觸發(fā)。示例讀取RxFIFO直到其為空，然后填充TxFIFO。RxFIFO非空中斷狀態(tài)用于確定是否可以從RxFIFO讀取內(nèi)容。TxFIFO未滿中斷指示TxFIFO中是否有空間容納更多內(nèi)容。

1. 禁用控制器中的所有中斷。將qspi.Intrpt_dis_REG [TX_FIFO_not_full，RX_FIFO_full]都設(shè)置為1。
2. 清除中斷。將1s寫入中斷狀態(tài)寄存器qspi.Intr_status_REG。
3. 清空RxFIFO。檢查是否聲明了RxFIFO非空中斷。如果qspi.Intr_status_REG [RX_FIFO_not_empty] = 1，則RxFIFO中有數(shù)據(jù)。a. 如果狀態(tài)為有效，則從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)。使用qspi.RX_data_REG寄存器讀取數(shù)據(jù)。b. 從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)并輪詢中斷狀態(tài)，直到RxFIFO為空。當(dāng)qspi.Intr_status_REG [RX_FIFO_not_empty] = 0時，RxFIFO為空。
4. 填充TxFIFO。檢查TxFIFO未滿狀態(tài)是否有效。如果 qspi.Intr_status_REG [TX_FIFO_not_Full] = 1，則存在要發(fā)送到閃存設(shè)備的數(shù)據(jù)（編程和/或讀取操作）：a. 將數(shù)據(jù)寫入qspi.TXD0寄存器。b. 輪詢qspi.Intr_status_REG [TX_FIFO_full] = 1，這表明TX FIFO已滿。c. 遵循步驟a和b，直到將所有數(shù)據(jù)寫入TxFIFO或直到qspi.Intr_status_REG[TX_FIFO_full] = 1。
5. 啟用中斷。將qspi.Intrpt_en_REG [TX_FIFO_not_full，RX_FIFO_full]都設(shè)置為1。
6. 開始數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)置qspi.Config_reg [MANSTRTEN] = 1。

工程系統(tǒng)框圖

本次工程的系統(tǒng)框圖如下：

在本次工程設(shè)計中，使用QSPI Flash控制器對ZYNQ的QSPI Flash進行讀寫操作。通過對比讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)是否相等驗證讀寫功能是否正常。

硬件平臺搭建

新建工程，創(chuàng)建 Block Design。添加ZYNQ7 ip，根據(jù)本次工程需要對IP進行配置。勾選本次工程使用的資源。

完成對所用資源的勾選，

在clock configuration這里可以查看對QSPI的時鐘配置。

這里不需要對其他資源進行配置，所以可以使用默認配置。整體硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成如下：

然后我們進行g(shù)enerate output product 然后生成HDL封裝。這里用到了僅僅用到了PS部分的資源，所以不需要進行管腳分配。點擊導(dǎo)出硬件資源（不用包含bit流文件），接著launch SDK，進入軟件部分編寫。

SDK軟件部分

打開SDK后，新建application project。在system.mss中可以打開相關(guān)參考文檔輔助設(shè)計。

可以選擇qspi的例程進行參考設(shè)計，導(dǎo)入例程模板，

根據(jù)提供的模板，主要使用的函數(shù)如下，這里對他的讀寫測試進行了簡化，

int QspiFlashPolledExample(XQspiPs *QspiInstancePtr, u16 QspiDeviceId)
{
	int Status;
	u8 *BufferPtr;
	u8 UniqueValue;
	int Count;
	int Page;
	XQspiPs_Config *QspiConfig;
	//初始化QSPI
	QspiConfig = XQspiPs_LookupConfig(QspiDeviceId);
	XQspiPs_CfgInitialize(QspiInstancePtr, QspiConfig,QspiConfig- >BaseAddress);
	//自測
	Status = XQspiPs_SelfTest(QspiInstancePtr);
	if (Status != XST_SUCCESS) {
		return XST_FAILURE;
	}
	//初始化讀寫B(tài)UFFER
	for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0; Count < PAGE_SIZE;
	     Count++, UniqueValue++) {
		WriteBuffer[DATA_OFFSET + Count] = (u8)(UniqueValue + Test);
	}
	memset(ReadBuffer, 0x00, sizeof(ReadBuffer));
	//設(shè)置手動啟動和手動片選模式
	XQspiPs_SetOptions(QspiInstancePtr, XQSPIPS_MANUAL_START_OPTION |
			XQSPIPS_FORCE_SSELECT_OPTION |
			XQSPIPS_HOLD_B_DRIVE_OPTION);
	//設(shè)置QSPI時鐘的分頻系數(shù)
	XQspiPs_SetClkPrescaler(QspiInstancePtr, XQSPIPS_CLK_PRESCALE_8);
	//片選信號置為有效
	XQspiPs_SetSlaveSelect(QspiInstancePtr);
	//讀FLASH ID
	FlashReadID();
	//使能FLASH Quad模式
	FlashQuadEnable(QspiInstancePtr);
	//擦除FLASH
	FlashErase(QspiInstancePtr, TEST_ADDRESS, MAX_DATA);
	//向FLASH中寫入數(shù)據(jù)
	for (Page = 0; Page < PAGE_COUNT; Page++) {
		FlashWrite(QspiInstancePtr, (Page * PAGE_SIZE) + TEST_ADDRESS,
			   PAGE_SIZE, WRITE_CMD);
	}
	//使用QUAD模式從FLASH中讀出數(shù)據(jù)
	FlashRead(QspiInstancePtr, TEST_ADDRESS, MAX_DATA, READ_CMD);
	//對比寫入FLASH與從FLASH中讀出的數(shù)據(jù)
	BufferPtr = &ReadBuffer[DATA_OFFSET];
	for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0; Count < MAX_DATA;
	     Count++, UniqueValue++) {
		if (BufferPtr[Count] != (u8)(UniqueValue + Test)) {
			return XST_FAILURE;
		}
	}
	return XST_SUCCESS;
}

運行效果

讀寫測試正常，運行效果如下：