利用QuadSPI外擴串行NOR Flash的實(shí)現

小融一號

前言

STM32提供了靈活多樣的外擴存儲器的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現。本文將介紹如何利用QSPI(QuadSPI) 外擴串行NOR Flash存儲器的實(shí)現過(guò)程。首先對QSPI接口功能特性進(jìn)行介紹，然后分別介紹硬件設計和軟件開(kāi)發(fā)。并基于STM32CubeM提供訪(fǎng)問(wèn)MICRON N25Q128A13EF840F的實(shí)現參考。

一 實(shí)現環(huán)境

開(kāi)發(fā)板：STM32F469G-DISCO

開(kāi)發(fā)庫：STM32CubeF4 v1.16.0

STM32CubeMX: v4.22.0

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：IAR v7.70.1.11486

實(shí)現過(guò)程在STM32F469I-DISCO板上展開(kāi)，利用板上已有的串行NORFlash存儲器（MICRON N25Q128A13EF840F），呈現整個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)節。在本文中，首先根據QSPI接口，介紹QSPI與外擴串行存儲器的硬件連接。另外，Cube軟件包中包含QSPI實(shí)例，本文對庫中實(shí)現的QSPI例不做討論，讀者可參考這些QSPI例程進(jìn)行設計。本文圍繞由STM32CubeMX生成的工程，介紹如何實(shí)現對外擴串行NOR Flash存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。

二 QSPI介紹

在呈現QSPI訪(fǎng)問(wèn)外擴Flash的實(shí)例前， 需要對QSPI有一定的了解，在此對QSPI進(jìn)行簡(jiǎn)短的介紹。更多內容請參考AN4760。

QSPI（Quad-SPI）支持四線(xiàn)串行訪(fǎng)問(wèn)形式。同時(shí)，QSPI支持傳統SPI和Dual-SPI模式，Dual-SPI模式支持兩線(xiàn)串行訪(fǎng)問(wèn)。與FMC/FSMC比較，QSPI支持更低成本、更小封裝外部串行Flash存儲器，更少的IO引腳占用，有效減少PCB面積，降低PCB設計復雜度。

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

QSPI接口提供了靈活可配置的5個(gè)階段，如下圖所示（時(shí)序圖根據配置不同可能存在差異）。分別是命令階段、地址階段、復用字節階段、Dummy階段和數據階段�？梢愿鶕�外擴Flash中命令時(shí)序對不同階段進(jìn)行配置。后續會(huì )以實(shí)例進(jìn)行呈現。更多內容請參考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，類(lèi)似于傳統SPI，可以使用阻塞模式、中斷模式或者DMA模式進(jìn)行讀寫(xiě)等訪(fǎng)問(wèn)。本文中提供的實(shí)現例為間接模式下的實(shí)現。

狀態(tài)輪詢(xún)模式 接口自動(dòng)輪詢(xún)指定寄存器，直到回讀寄存器內容與指定條件匹配�？蓱�用于狀態(tài)檢測，從而實(shí)現忙等待等效果。本文不對此模式進(jìn)行介紹，應用實(shí)現可參考Cube軟件包中QSPI例程。

存儲器映射模式 外擴Flash被視為內部存儲器，支持AHB主器件直接訪(fǎng)問(wèn)，CPU能夠直接運行位于QSPI存儲器的執行代碼。內部系統架構如下圖所示（以STM32F469/F479為例）。本文不對此模式進(jìn)行介紹，應用實(shí)現可參考Cube軟件包中QSPI例程QSPI_ExecuteInPlace。

三 QSPI外擴串行Flash的實(shí)現

3.1 串行Flash介紹

以MICRON N25Q128A13EF840F為例，更多細節請參考存儲器手冊。N25Q128A13EF840F引腳圖、時(shí)序圖和電氣參數來(lái)源于N25Q128A13 手冊文檔。

支持協(xié)議： SPI, Dual I/O（對應Dual-SPI）, Quad I/O（對應Quad-SPI）

支持訪(fǎng)問(wèn)模式：?jiǎn)尉�(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)、雙線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)、四線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，得益于QSPI接口的靈活可配性，三種訪(fǎng)問(wèn)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信號線(xiàn)構成。

下表為存儲器N25Q128A13xxx命令（未列出全部命令）。通過(guò)下表可知，存儲器提供了靈活的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現形式，結合同樣靈活可配置的QSPI接口，能夠實(shí)現存儲器命令全支持。本文僅提供設計思路，呈現了部分命令在QSPI上的實(shí)現。

3.2 硬件設計

涉及到的信號線(xiàn)少，硬件設計簡(jiǎn)單，只需直接將QSPI的六根信號線(xiàn)與存儲器連接即可�？紤]到可測性，可以增加串行電阻或者測試點(diǎn)。硬件電路圖如下所示。

QSPI接口PCB設計遵循如下幾點(diǎn)，更多硬件設計內容請參考AN4488。

a. 線(xiàn)阻 50Ω± 10%

b. 最大線(xiàn)長(cháng) <120mm

c. 避免在不同信號層走信號線(xiàn)

d. 時(shí)鐘線(xiàn)至少離其他信號線(xiàn)3倍線(xiàn)寬距離

e. 數據信號線(xiàn)長(cháng)差 ≤10mm

f. 避免時(shí)鐘線(xiàn)采用蛇形走線(xiàn)，同時(shí)盡量減少數據線(xiàn)上過(guò)孔。

3.3 軟件開(kāi)發(fā)流程

3.4 軟件實(shí)現例

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

四 小結

STM32的QuadSPI接口靈活可配，對于命令階段、地址階段、復用字節階段、Dummy階段和數據階段都可以進(jìn)行配置�；�于這種靈活性，能夠實(shí)現市面上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(fǎng)問(wèn)及DMA訪(fǎng)問(wèn)等更多功能沒(méi)有在本文進(jìn)行介紹，更多實(shí)現可以參考ST提供的Cube軟件包中的QSPI例程。另外，不同廠(chǎng)家的串行Flash命令及操作實(shí)現略有差異，具體以采用的Flash文檔描述為準。

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