STM32硬件基础--QaudSPI总线读写片外FLASH（一）

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（文中代码下载地址：https://github.com/haidongqing/qspi-readid）

STM32F746G-DISCO开发板上，通过QaudSPI接口连接了一片MICRON公司的NOR FLASH，型号为 N25Q128A13EF840E 。这里涉及了2个方面的技术问题：

1）Qaud SPI 总线接口；

2）ST MCU如何通过Qaud SPI 接口读写NOR FLASH。

先来看看什么是Qaud SPI，它是SPI的“升级版”，也有简写成QSPI的，称为四线SPI，可以理解为在传统的SPI总线上，扩充了4条“双向”数据线。这样，Qaud SPI就有6根线：片选信号CS、时钟CLK、数据线D0-D3（SPI是4根线：CS、CLK、MISO、MOSI）。功能的增强一定带来新的复杂性，QSPI也不例外 ---- 相比较SPI而言，QSPI不再是只按照CLK的时钟时序读或写数据那么简单了，而是需要先发送“命令”才能读写数据。所以，QSPI总线的驱动、编程要复杂一些。

为了简化QSPI的编程、使用，STM32系列MCU在内部增加了一个QSPI控制器，通过一些相关的寄存器控制对QSPI的操作。总体而言，QSPI有3种工作模式：单线（Single，或Extended）、双线（Daul）和四线（Qaud），其中四线SPI最常用（显然，这种模式下数据吞吐率最大、效率最高），这也是我们下面要讨论的重点。

图一

上图是STM32F746用户手册中QaudSPI功能框图（单BANK的情形，746也支持双BANK模式，此处不作讨论），可见MCU与FLASH之间就是6根信号线。

既然我们关心的是如果读写FLASH，就得先看看FLASH这个外部器件对读写数据有哪些要求（时序，读写命令等）。

首先，FLASH在进入“常规工作”状态之前，需要先进行“配置”，即参数初始化，比如QSPI总线模式、读数据延迟周期等。N25Q内部有2种类型的配置寄存器：Nonvolatile Configuration Register 和 Volatile Configuration Register，前者是非易失的，后者是易失的。读配置寄存器有相应的命令：

图二

图三

这是很简单的读取命令，MCU通过QSPI总线发送一个命令字 B5 ，FLASH接收到之后，在数据线上送出配置寄存器中的内容。写配置寄存器如下：

图四

发送2个字节：命令字 B1 + 一字节配置内容，总共16 bit。读写配置寄存器的时序图比较简单，但这个是基础，读懂了图二、图四的时序图，就能读懂下面稍复杂一些的时序图。

第二，读出数据的具体操作。最简单的，是先读出FLASH的ID。任何一个厂家的FLASH器件，内部都有一个device id，以及一些扩展信息，说明这个FLASH的生产商、芯片容量等基础参数。

图五

测试时，使用了READ ID（9E）命令，它只能用于Extended模式。注意上图的 Notes 2 ：

图六

表明此命令不需要地址，读延迟周期（Dummy clock cycles）为0，即不需要。请注意 Dummy clock cycles 这个参数，这是个非常重要的参数，在读取FLAHS数据时，从发出读命令，到FLASH将数据送上数据线，是需要一定时间的，这个时间就是 Dummy clock cycles，后面讲到对FLASH读数据时还会重点提到。正确读出ID的结果会是这样的：

图七

读ID ，得到的数据（前3个）是：20h，BAh，18h。

（注：JEDEC，Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC固态技术协会，EIA的分支，FLASH厂家的ID应该是由这个标准化组织分配的）

好了，我们就只先做最简单的一步：如何读出FLAHS的ID。MCU这一端的工作，主要是使用CubeMX正确配置QaudSPI，并编写代码访问FLASH。先看看STM32F746G-DISCO 开发板的原理图、确定QSPI用到的pin：

图八

图九

图十

运行STM32Cube，选择STM32F746NG芯片，配置RCC、SYS和时钟：

图十一

图十二

图十三

最后是主角：QaudSPI：

图十四

上图中，

1、选择QSPI的四线模式。

2、FLASH的时钟频率，选择对HCLK 2分频，就是 216/(1+1) = 108 MHz，正好是N25Q芯片的最高可用频率（见；N25Q数据手册）。---- 之前这个参数设置成了2，是错误的，感谢网友 “海鸦” 的提醒！！

3、QSPI针对读写数据设计了FIFO缓冲区，这是缓冲区长度。

4、选择延迟半个时钟采样周期、利于适应FLASH的可能延迟，见图十五。

5、N25Q容量是128Mbit，即16MByte，那么按字节寻址的话有16M个地址，16M = 2的24次方，所以填写24。

6、连续2个命令之间需要的延迟间隔时间（时钟周期）。QSPI每次向FLASH发送命令，片选信号CS都有一个拉低、再拉高的过程，2个命令之间CS保持高电平（无效状态），这个高电平保持多久，称为 Chip Select High Time（见图十六）。N25Q要求这个时间最小是50ns（见图十七），FLASH时钟是108MHz，50ns/(1/108MHz) = 5.4，即最小需要5.4个时钟周期，所以这里选择了6。

7、Clock Mode，空闲时CLK的电平状态，似无大碍，这里选了low（模式0；如果high，是模式3）。

图十五

图十六

图十七

QaudSPI的配置还没完事，还需要检查GPIO的复用功能是否配置正确（这是有血的教训的，见这里）。CubeMX默认的QSPI管脚配置是：

图十八

需要按下图重新分配pin：

图十九

生成KEIL代码。main.c中，函数 MX_QUADSPI_Init() 是CubeMX生成的QSPI的初始化函数。

先定义一个常数数组，包含了N25Q的ID信息：

const uint8_t bN25Q_ID[BUFFERSIZE] = {0x20, 0xBA, 0x18}; //Manufacturer ID, Memory Type, Memory Capacity

然后读FLASH：

图二十

sCommand 是 QSPI_CommandTypeDef 类型的结构体，负责配置命令模式、命令字、数据格式、数据长度等关键信息，然后调用 HAL_QSPI_Command() 发送命令。在 HAL_QSPI_Command() 内部又调用了 QSPI_Config()，通过写QSPI相关的一些寄存器最终实现发送命令的操作。在调用 QSPI_Config() 时，使用了一个重要的参数：QSPI_FUNCTIONAL_MODE_INDIRECT_WRITE，它约定了QSPI在此次与FLASH的会话中，使用的是QSPI的“间接操作模式”（QSPI有三种操作模式，详情将在下一讲中介绍，预留链接）。

读出ID结果如下：

图二十一

读出的数值确实是 20h，BAh，18h；开发板背面的LED慢闪，表明读取ID正确（如果出错，LED将快闪）。

本例的代码下载地址：https://github.com/haidongqing/qspi-readid。

下一节将介绍QSPI的三种操作模式、并实现读FLASH数据：《STM32硬件基础--QaudSPI总线读写片外FLASH（二）》。

补充：关于QaudSPI的时钟频率

图二十二

分频系数数值+1，是真正的分频倍数。为了2分频，应该将 PRESCALER 参数设置为1；如果设置为2，就是3分频了，QaudSPI时钟频率更低了，程序仍能正常执行，只不过读写速率降低了、效率低了。经测试，如果将 PRESCALER 参数设置为0，QaudSPI时钟频率==HCLK 了，超出了最大频率范围，读出的ID是错误的。