利用 QuadSPI外扩 串行 NOR Flash的实现

前言
STM32提供了灵活多样的外扩存储器访问实现。本文中，介绍如何利用QSPI (QuadSPI) 外扩串行NOR Flash存储器。首先对QSPI接口功能特性进行介绍，然后分别介绍硬件设计和软件开发。并基于STM32CubeMX，提供访问MICRON N25Q128A13EF840F的实现参考。

一 实现环境
    开发板：STM32F469G-DISCO
    开发库：STM32CubeF4 v1.16.0
    STM32CubeMX: v4.22.0
    集成开发环境：IAR v7.70.1.11486

    实现过程在STM32F469I-DISCO板上展开，利用板上已有的串行NOR Flash存储器（MICRON N25Q128A13EF840F）。呈现整个开发涉及环节。在本文中，首先根据QSPI接口，介绍QSPI与外扩串行存储器硬件连接。另外，Cube软件包中包含QSPI实现例，在本文对库中实现的QSPI例不做讨论，读者也可参考这些QSPI例进行设计。本文围绕由STM32CubeMX生成的工程，介绍如何实现对外扩串行NOR Flash存储器的访问。

二 QSPI介绍
    在呈现QSPI访问外扩Flash的实现例前， 需要对QSPI有一定的了解，在此对QSPI进行简短的介绍。更多内容请参考AN4760。
    QSPI（Quad-SPI）支持四线串行访问形式。同时，QSPI支持传统SPI和Dual-SPI模式，Dual-SPI模式支持两线串行访问。与FMC/FSMC比较，QSPI支持更低成本、更小封装外部串行Flash存储器，更少的IO引脚占用，有效减少PCB面积，降低PCB设计复杂度。
    QSPI在不同系列STM32产品线的支持情况（仅部分罗列，未涵盖所有支持型号）。

        
    QSPI接口提供了灵活可配置的5个阶段，如下图所示（仅用于理解阶段构成，时序图根据配置不同存在差异）。分别是命令阶段、地址阶段、复用字节阶段、Dummy阶段和数据阶段。可以根据外扩Flash中命令时序对不同阶段进行配置。后续会以实例进行呈现。更多内容请参考AN4760。

    QSPI支持三种模式，分别是：
    间接模式---所有操作通过QSPI寄存器实现，类似于传统SPI，可以使用阻塞模式、中断模式或者DMA模式进行读写等访问。本文中提供的实现例为间接模式下的实现。
    状态轮询模式---接口自动轮询指定寄存器，直到回读寄存器内容与指定条件匹配。可应用于状态检测，从而实现忙等待等效果。本文不对此模式进行实现介绍，应用实现可参考Cube软件包中QSPI例程。
    存储器映射模式---外扩Flash被视为内部存储器，支持AHB主器件直接访问，CPU能够直接运行位于QSPI存储器的执行代码。内部系统架构如下图所示（以STM32F469/F479为例）。本文不对此模式进行实现介绍，应用实现可参考Cube软件包中QSPI例程QSPI_ExecuteInPlace。


三 QSPI外扩串行Flash实现例


3.1 串行Flash介绍
    以MICRON N25Q128A13EF840F为例，更多细节请参考存储器手册。N25Q128A13EF840F引脚图、时序图和电气参数来源于N25Q128A13 手册文档。
    支持协议： SPI, Dual I/O（对应Dual-SPI）, Quad I/O（对应Quad-SPI）
    支持访问模式： 单线访问、双线访问、四线访问，得益于 QSPI接口的灵活可配性，三种访问模式全部支持。
    供电电压范围： 2.7 ~ 3.6V
    最大时钟频率： 108MHz
    存储空间： 128Mb （16MB）
    器件引脚示意图如下所示。由两根电源引脚和六根QSPI信号线构成。

    下表为存储器N25Q128A13xxx命令（未列出全部命令）。通过下表可知，存储器提供了灵活的访问实现形式，而结合同样灵活可配的QSPI接口，能够实现存储器命令全支持。而本文仅为提供设计思路，呈现了部分命令在QSPI上的实现。

    其中，默认读写默认3字节地址，四线快速读命令默认Dummy 周期数为8。

3.2 硬件设计
    涉及到的信号线少，硬件设计简单，只需直接将QSPI的六根信号线与存储器连接即可。考虑到可测性，可以增加串行电阻或者测试点。硬件电路图如下所示。

        
    QSPI接口PCB设计遵循如下几点，更多硬件设计内容请参考AN4488。
    a. 线阻 50Ω ± 10%
    b. 最大线长 < 120mm
    c. 避免在不同信号层走信号线
    d. 时钟线至少离其他信号线3倍线宽距离
    e. 数据信号线长差 ≤ 10mm
    f. 避免时钟线采用蛇形走线，同时尽量减少数据线上过孔。

3.3 软件开发流程


3.4 软件实现例
    在环境搭建完成后，就可以利用STM32CubeMX根据硬件连接情况，进行QSPI配置，获取IAR工程。具体软件实现流程如下。


    a. 利用STM32CubeMX生成IAR工程
    打开STM32CubeMX---点击”New project”---在”Part Number Search’中输入STM32F469NI---点击”MCUs Liast”中出现的STM32F469NIHx---点击“Start Project”  此时，基于STM32F469NIHx的STM32CubeMX工程被打开。
    如下，根据STM32F469I-DISCO板硬件连接情况（QSPI NCS, CLK, Q0, Q1, Q2, Q3对应PB6, PF10, PF8, PF9, PF7, PF6；外部高速晶振为8MHz无源晶振；调试接口采用SWD接口，其中SWCLK, SWDIO对应PA14, PA13）：
选择” QuadSPI”为”Bank1 with Quad SPI Lines”（注：也可在开发过程中，先用STM32CubeMX查看QSPI接口对应的IO引脚，进行硬件开发） 。
    注： 在如上选择后，右侧引脚图中QSPI对应的引脚会呈现绿色显示。需要根据电路图中所连接的QSPI引脚，进行复用引脚确认。例如，在默认情况下，QSPI IO0对应到PC9引脚，而STM32F469I-DISCO板上的QSPI IO0与PF8连接，并非PC9。所以，需要在右侧引脚图中，按住Ctrl键，左键在PC9引脚按下，拖动至PF8处，松开左键和Ctrl键，实现IO0引脚的关联。
    选择“High Speed Clock（HSE）”为“Crystal/Ceramic Resonator”。
    选择”Debug”为”Serial Wire”


    时钟配置如下图所示。设置输入时钟频率为8MHz  选择”HSE”做为PLL倍频时钟源  选择”PLLCLK”做为主频时钟源  设置 “HCLK”为180MHz （FAHB 为180MHz） 点击 Enter键，自动生成对应主频的时钟参数（仅提供时钟配置参考，并不限制一定要设置180MHz主频）。

    QSPI配置如下图。参数的配置需要与存储器参数匹配。
    • FIFO Threshold（FIFO阈值） 配置为4，并不严格要求。
    • Smaple shift 选择“Sample shifting half cycle”。延后半个时钟，获取数据线上数据。可以使用在由于线路设计，数据信号存在较大延迟的场景。

    使能QSPI中断。

    点击菜单栏”Project”---“Settings”---设置”Project Name” , “Project Location” 和 “Toolchain / IDE” 。其中“Toolchain / IDE”设置为EWARM以便生成对应IDE的工程。其他选项保持默认。
    点击菜单栏”Project”---“Generate Code”---等待IAR工程生成，出现”Code Generation”界面---点击”Open Project”打开工程。
    b. 完善工程。
     由上述步骤获得的IAR工程中，包含了时钟配置及QSPI接口的初始化。对于外扩Flash的操作，还需要 添加外扩Flash支持的命令进行操作。N25Q128A13EF840F支持的部分命令可参见本文3.1小结。
    在这里出于简化考虑，仅提供了阻塞式读取ID，擦除Flash，块写和快读操作的实现。更多实现模式，可以参考Cube软件包中提供的QSPI例程。
    在N25Q128A13EF840F手册中提供了读ID命令时序，如下图所示。

    由时序图可知，读ID时序构成： 命令阶段 + 数据阶段。命令阶段和数据阶段线宽都为1，读ID命令码为0x9E或者0x9F，ID数据长度为17字节。
    在N25Q128A13EF840F手册中提供了写使能命令时序，如下图所示。

    由时序图可知，块擦除时序仅有命令阶段。命令阶段线宽为1，写使能命令码为0x06。（注：这里仅呈现了单线命令模式的实现。除此之外，STM32 QSPI接口和外扩存储器支持双线、四线模式）。
    在N25Q128A13EF840F手册中提供了扇区擦除命令时序，如下图所示。

    由时序图可知，扇区擦除时序构成：命令阶段+地址阶段。命令阶段和地址阶段线宽为1，扇区擦除命令码为0xD8。其中地址为24-bit，任一位于需要进行擦除操作的扇区范围内地址都有效。在此简单选择扇区0进行擦除，选择地址为0。（注：这里仅呈现了单线命令模式的实现。除此之外，STM32 QSPI接口和外扩存储器支持双线、四线模式）。
    在N25Q128A13EF840F手册中提供了四线快速写命令时序，如下图所示。

    由时序图可知，四线快速写命令时序构成：命令阶段+地址阶段+数据阶段。命令阶段和地址阶段线宽为1，数据阶段线宽为4，四线快速写命令码为0x32。其中地址为24-bit，对应写入起始地址。（注：这里仅呈现了单线命令模式的实现。除此之外，STM32 QSPI接口和外扩存储器支持双线、四线模式）。
    在N25Q128A13EF840F手册中提供了四线快速读命令时序，如下图所示。

    由时序图可知，四线快速读命令时序构成：命令阶段+地址阶段+数据阶段。命令阶段和地址阶段线宽为1，数据阶段线宽为4，四线快速读命令码为0x6B。其中地址为24-bit，对应写入起始地址。四线快速读命令默认Dummy cycles为8。（注：这里仅呈现了单线命令模式的实现。除此之外，STM32 QSPI接口和外扩存储器支持双线、四线模式）。
    在main.c \ main函数中，增加代码如下。






四 小结
    STM32的QuadSPI接口灵活可配，对于命令阶段、地址阶段、复用字节阶段、Dummy阶段和数据阶段都可以进行配置。基于这种灵活性，能够实现市面上SPI、Dual IO、Quad IO的串行Flash支持。但出于简化考虑，QSPI支持的中断访问及DMA访问等更多功能没有在本文进行介绍，更多实现可以参考ST提供的Cube软件包中的QSPI例程。另外，不同厂家的串行Flash命令及操作实现略有差异，具体以采用的Flash文档描述为准。


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