QSPI 工作原理

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概述

QSPI 作为主设备 (Master) 用于对通用的从设备 (Slave)（如 Flash、PSRAM 或者显示屏）进行读写操作，支持单线、双线或四线（数据线）SPI 操作。可以在如下两种模式下工作： 间接模式：使用 QSPI 寄存器执行全部操作 内存映射模式：外部设备映射到内部存储地址空间，从而系统将其视为内部存储器

QSPI 主要特性如下： | 两种工作模式：间隔模式和内存映射模式 | 完全可编程操作码和帧格式 | 集成 FIFO，独立的发射 FIFO 和接收 FIFO | 收发传输完成产生中断

QSPI 和外部设备之间一般包含如下阶段：CMD 指令阶段、ADDR 地址阶段、WAIT 等待阶段和数据阶段。

  • CMD 指令阶段

指令通常是单线模式，也可以是双线和或四线模式，通过寄存器可以配置；通常 CMD 指令阶段都是 1 线模式，对于 Flash、PSRAM、OLED 等外设来说都是单线模式不变。CMD 寄存器最多支持 8 个字节，这些 CMD 不仅仅用于表示指令，还用于表示地址，对于地址来说，是存在线宽变化的。指令长度可以是 1 个或者最多 8 个字节。有 4 个预设的寄存器 CMDA、CMDB、CMDC 和 CMDD，每次SPI操作选一个 CMD 模式。 CMDA、CMDB、CMDC 和 CMDD 表示不同的操作模式（间接模式/内存映射模式）及读/写方向： 1） CMDA 用于内存映射模式向设备内存写数据 2） CMDB 用于内存映射模式从设备内存读数据 3） CMDC 用于间接模式通过 TX FIFO 向设备内存写数据 4） CMDD 用于间接模式通过 RX FIFO 从设备内存读数据 当需要使用内存映射模式时，CMDA 和 CMDB 只需要配置一次，之后的内存读写都不需要再次配置 CMD 模式。当需要使用间接模式时，每次操作 FIFO 数据或下发设备指令，都需要配置 CMD 使能。模式的选择根据设备物理特性来选择，PSRAM 适用直接存储，Flash 适用间接模式。

  • ADDR 地址阶段

地址可以是单线、双线或四线模式，长度一般 3 到 4 个字节。CMDA ~ D 提供了灵活的 CMD 配置方式。对于内存映射模式而言，即 CMDA 和 CMDB 来说，地址会由硬件自动产生。但是对于间接模式，CMDC 和 CMDD 中的1 ~ 8 字节内容，哪部分是指令，哪部分是地址，哪部分需要 Dummy，以及位宽的设置，都由 QSPI 软件使用者来根据设备的规范来配置，无法自动区分出地址所在的 CMD 字节位，并且地址的位宽由对应 CMD 字节的控制位设定。 在直接内存映射模式下，地址直接来源于总线。这个总线映射地址是固定的，0x68000000 对应设备 0 地址。

  • WAIT 等待阶段

没有任何操作，在两个 CMD 字节中间插入等待时隙，等待的时隙数由 DUMMY_CLK 位域配置。这里的两个CMD，指的不仅是指令，也可以是地址，比如 CMD1 表示指令，CMD2 ~ 4 表示地址，Dummy 加在 CMD4 之后，这样就能实现地址之后加 Dummy 的实际效果，数据内容通过 FIFO 实现读写。插入等待时隙的位置由DUMMY_MODE 位域配置。

  • 数据阶段

发送或者接收数据，内部 FIFO 最大长度 256 字节。数据阶段的线宽由寄存器 DATA_LINE 配置，长度由DATA_LEN 位域配置。 在间接模式下，通过写 TX FIFO 和读 RX FIFO 来交互数据。在内存映射模式下，数据直接来自总线或者回到总线。