一、概述

（一）QSPI 簡(jiǎn)介

QSPI（Quad Serial Peripheral Interface）是一種高速串行通信接口，在標(biāo)準(zhǔn) SPI（Serial Peripheral Interface）的基礎(chǔ)上擴(kuò)展至 4 條數(shù)據(jù)線（Quad Mode），顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速率。它廣泛應(yīng)用于 Flash 存儲(chǔ)器、傳感器和微控制器之間的通信。

（二）主要特性

• 多種模式支持 ：兼容 Standard SPI（1 - bit 模式）、Dual SPI（2 - bit 模式）以及 Quad SPI（4 - bit 模式，最高吞吐量）。
• 高時(shí)鐘頻率 ：通常支持 50MHz - 133MHz（取決于芯片），為數(shù)據(jù)傳輸提供高速時(shí)鐘保障。
• 低引腳占用 ：僅需 6 個(gè)引腳（CLK, CS, IO0 - IO3）即可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，有效節(jié)省硬件資源。
• 內(nèi)存映射模式（XIP, Execute - In - Place） ：允許 CPU 直接訪問(wèn) QSPI Flash，無(wú)需額外緩存，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

（三）應(yīng)用場(chǎng)景

在嵌入式系統(tǒng)中，QSPI 常用于連接微控制器與外部 Flash 存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)程序代碼和數(shù)據(jù)的高速讀寫(xiě)操作；還可與各類(lèi)傳感器配合，快速傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)，滿足工業(yè)控制、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性與大數(shù)據(jù)量傳輸需求。

二、AS32A601 QSPI 硬件設(shè)計(jì)

（二）開(kāi)發(fā)板配置

在 AS32A601 開(kāi)發(fā)板上，QSPI 經(jīng)過(guò)一個(gè) BUFFER 芯片接入 QSPI_FLASH，所選 FLASH 型號(hào)為 S25FL512SAGMFVG13，該型號(hào) QSPI 支持最大速率可達(dá) 45MHz，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠存儲(chǔ)支持。

三、QSPI 時(shí)序解析

（一）指令階段

這一階段，將在QSPI_CCR[7:0]寄存器的instruction字段中配置的一條8位指令發(fā)送到Flash，指定待執(zhí)行操作的類(lèi)型。

盡管大多數(shù)Flash從IO0/SO信號(hào)（單線SPI模式）只能以一次1位的方式接收指令，但指令階段可選擇一次發(fā)送2位（在雙線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1）或一次發(fā)送4位（在四線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過(guò)QSPI_CCR[9:8]寄存器中的IMODE[1:0]字段進(jìn)行配置。若IMODE = 00，則跳過(guò)指令階段，命令序列從地址階段（如果存在）開(kāi)始。

（二）地址階段

在地址階段，將1-4字節(jié)發(fā)送到Flash，指示操作地址。待發(fā)送的地址字節(jié)數(shù)在QSPI_CCR[13:12]寄存器的ADSIZE[1:0]字段中進(jìn)行配置。在間接模式和自動(dòng)輪詢(xún)模式下，待發(fā)送的地址字節(jié)在QSPI_AR寄存器的ADDRESS[31:0]中指定；在內(nèi)存映射模式下，則通過(guò)AHB（來(lái)自于內(nèi)核或DMA）直接給出地址。地址階段可一次發(fā)送1位（單線SPI模式通過(guò)SO）、2位（雙線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過(guò)QUADSPI_CCR[11:10]寄存器中的ADMODE[1:0]字段進(jìn)行配置。若ADMODE = 00，則跳過(guò)地址階段，命令序列直接進(jìn)入下一階段（如果存在）。

（三）交替字節(jié)階段

在交替字節(jié)階段，將1-4字節(jié)發(fā)送到Flash，一般用于控制操作模式。待發(fā)送的交替字節(jié)數(shù)在QSPI_CCR[17:16]寄存器的ABSIZE[1:0]字段中進(jìn)行配置。待發(fā)送的字節(jié)在QSPI_ABR寄存器中指定。

交替字節(jié)階段可一次發(fā)送1位（在單線SPI模式中通過(guò)SO）、2位（在雙線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過(guò)QSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0]字段進(jìn)行配置。若ABMODE = 00，則跳過(guò)交替字節(jié)階段，命令序列直接進(jìn)入下一階段（如果存在）。

交替字節(jié)階段存在僅需發(fā)送單個(gè)半字節(jié)而不是一個(gè)全字節(jié)的情況，比如采用雙線模式并且僅使用兩個(gè)周期發(fā)送交替字節(jié)時(shí)。在這種情況下，固件可采用四線模式(ABMODE = 11)并發(fā)送一個(gè)字節(jié)，方法是ALTERNATE的位7和3置“1”（IO3保持高電平）且位6和2置“0”（IO2線保持低電平）。此時(shí)，半字節(jié)的高2位存放在ALTERNATE的位4:3，低2位存放在位1和0中。例如，如果半字節(jié)2 (0010)通過(guò)IO0/IO1發(fā)送，則ALTERNATE應(yīng)設(shè)置為0x8A (1000_1010)。

（四）空指令周期階段

在空指令周期階段，給定的1-31個(gè)周期內(nèi)不發(fā)送或接收任何數(shù)據(jù)，目的是當(dāng)采用更高的時(shí)鐘頻率時(shí)，給Flash留出準(zhǔn)備數(shù)據(jù)階段的時(shí)間。這一階段中給定的周期數(shù)在QSPI_CCR[22:18]寄存器的DCYC[4:0]字段中指定。在SDR和DDR模式下，持續(xù)時(shí)間被指定為一定個(gè)數(shù)的全時(shí)鐘周期。若DCYC為零，則跳過(guò)空指令周期階段，命令序列直接進(jìn)入數(shù)據(jù)階段（如果存在）。空指令周期階段的操作模式由DMODE確定。為確保數(shù)據(jù)信號(hào)從輸出模式轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎肽Ｊ接凶銐虻摹爸苻D(zhuǎn)”時(shí)間，使用雙線和四線模式從Flash接收數(shù)據(jù)時(shí)，至少需要指定一個(gè)空指令周期。

（五）數(shù)據(jù)階段

在數(shù)據(jù)階段，可從Flash接收或向其發(fā)送任意數(shù)量的字節(jié)。在間接模式和自動(dòng)輪詢(xún)模式下，待發(fā)送/接收的字節(jié)數(shù)在QSPI_DLR寄存器中指定。在間接寫(xiě)入模式下，發(fā)送到Flash的數(shù)據(jù)必須寫(xiě)入QSPI_DR寄存器。在間接讀取模式下，通過(guò)讀取QSPI_DR寄存器獲得從Flash接收的數(shù)據(jù)。在內(nèi)存映射模式下，讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)AHB直接發(fā)送回Cortex或DMA。數(shù)據(jù)階段可一次發(fā)送/接收1位（在單線SPI模式中通過(guò)SO）、2位（在雙線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過(guò)IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過(guò)QUADSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0] 字段進(jìn)行配置。若DMODE = 00，則跳過(guò)數(shù)據(jù)階段，命令序列在拉高nCS時(shí)立即完成。這一配置僅可用于僅間接寫(xiě)入模式。

四、QSPI 與 SPI 異同比較

QSPI（Quad SPI）和SPI（Serial Peripheral Interface）是兩種串行通信協(xié)議，用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它們有一些相似之處，但也有一些重要的區(qū)別。

（一）相似之處

1. 串行通信本質(zhì) ：二者均為串行通信協(xié)議，通過(guò)少量引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在硬件資源有限的場(chǎng)景下具有顯著優(yōu)勢(shì)。
2. 主從架構(gòu) ：均基于主從結(jié)構(gòu)，主設(shè)備主導(dǎo)通信發(fā)起與時(shí)序控制，從設(shè)備依主設(shè)備指令響應(yīng)并完成數(shù)據(jù)交互，便于系統(tǒng)級(jí)的設(shè)備管理和任務(wù)調(diào)度。

（二）不同之處

1. 傳輸速率差異 ：QSPI 憑借四條數(shù)據(jù)線（Quad 模式）可同時(shí)傳輸四個(gè)數(shù)據(jù)位，支持更高傳輸速率；SPI 通常僅使用一條數(shù)據(jù)線，每次僅能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，傳輸速率相對(duì)較低。
2. 總線模式多樣性 ：QSPI 支持單線、雙線、四線等多種總線模式，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活選擇；SPI 一般僅支持單線模式，難以滿足對(duì)高帶寬有需求的復(fù)雜應(yīng)用。
3. 時(shí)鐘頻率范圍 ：QSPI 為匹配高速數(shù)據(jù)傳輸，通常支持更高時(shí)鐘頻率；SPI 的時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)相對(duì)較低，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不苛刻的場(chǎng)景。
4. 引腳占用情況 ：QSPI 為實(shí)現(xiàn)四線模式高速數(shù)據(jù)傳輸，需更多引腳；SPI 僅需少量引腳即可完成基本通信功能，在簡(jiǎn)單應(yīng)用中硬件連接更為簡(jiǎn)便。
5. 片選信號(hào)運(yùn)用 ：QSPI 與 SPI 均使用片選信號(hào)（Chip Select）選擇通信從設(shè)備，但在復(fù)雜多設(shè)備系統(tǒng)中，QSPI 的多線模式可減少總線切換次數(shù)，提升整體通信效率。

總之，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和設(shè)備支持來(lái)選擇使用QSPI還是SPI。QSPI適用于需要更高傳輸速率和更大帶寬的應(yīng)用，而SPI適用于傳輸速率要求不高的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇