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利用 QuadSPI 外扩串行 NOR Flash 的实现

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药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:40 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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
STM32CubeMX, 提供访问 MICRON N25Q128A13EF840F 的实现参考。  

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沙发
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:41 | 只看该作者
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。

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板凳
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:42 | 只看该作者
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。

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地板
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:44 | 只看该作者
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。

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5
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:45 | 只看该作者
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。

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6
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:47 | 只看该作者
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。

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7
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:48 | 只看该作者
3.3 软件开发流程

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8
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:49 | 只看该作者
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。

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9
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:50 | 只看该作者
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) 。

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10
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:51 | 只看该作者
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。

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药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:52 | 只看该作者
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。

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12
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:52 | 只看该作者
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)。

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13
药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:53 | 只看该作者
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)。

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药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:55 | 只看该作者
在 main.c \ main 函数中,增加代码如下。  


//系统、时钟、 IO 和 QSPI 初始化
/* USER CODE BEGIN 2 */
QSPI_CommandTypeDef sCommand;
static uint8_t Buf_ID[17] = {0};
static uint8_t TxBuf[0x10] = "Ext Flash", RxBuf[0x10] = {0};
sCommand.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE; //DDR 模式失能
sCommand.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY; //DDR 模式下,数据延迟输出
sCommand.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD; //每次发送都包含命令阶段/***** 读 ID 操作 *****/
sCommand.Instruction = 0x9F; //READ ID 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE; //地址线宽。无地址阶段
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_1_LINE; //数据线宽
sCommand.NbData = 17; //读取数据长度。 ID 长度为 17 字节
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 0; //无 Dummy 阶段
//配置命令(在有数据阶段时,命令在后续发送/接收 API 调用时发送)
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
//执行 QSPI 接收
if (HAL_QSPI_Receive(&hqspi, Buf_ID,5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_Delay(1); //延时 1ms. 单位为 SysTick 定时中断周期
/***** 写使能操作(需要在块擦除之前,使外扩存储器处于写使能状态) *****/
sCommand.Instruction = 0x06; //写使能 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE; //地址线宽。无地址阶段
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_NONE; //数据线宽。无数据阶段
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 0; //无 Dummy 阶段
//配置发送命令
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/***** 块擦除操作 *****/
sCommand.Instruction = 0xD8; //扇区擦除 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_1_LINE; //地址线宽。无地址阶段
sCommand.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS; //地址长度
sCommand.Address = 0; //位于所需擦除扇区内的任一地址。
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_NONE; //数据线宽。无数据阶段
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 0; //无 Dummy 阶段
//配置发送命令
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{Error_Handler();
}
HAL_Delay(3000); //延时 3s. 单位为 SysTick 定时中断周期
/***** 写使能操作(需要在块擦除之前,使外扩存储器处于写使能状态) *****/
sCommand.Instruction = 0x06; //写使能 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE; //地址线宽。无地址阶段
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_NONE; //数据线宽。无数据阶段
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 0; //无 Dummy 阶段
//配置发送命令
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/***** 四线快速写操作 *****/
sCommand.Instruction = 0x32; //四线快速写 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_1_LINE; //地址线宽
sCommand.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS; //地址长度
sCommand.Address = 0; //写入起始地址
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES; //数据线宽
sCommand.NbData = 10; //写入数据长度
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 0; //无 Dummy 阶段
//配置命令(在有数据阶段时,命令在后续发送/接收 API 调用时发送)
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
//执行 QSPI 接收
if (HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, TxBuf ,5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_Delay(5); //延时 5ms. 单位为 SysTick 定时中断周期
/***** 四线快速读操作 *****/
sCommand.Instruction = 0x6B; //四线快速读 命令码
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; //命令线宽
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_1_LINE; //地址线宽
sCommand.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS; //地址长度
sCommand.Address = 0; //起始地址
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES; //数据线宽sCommand.NbData = 10; //读取数据长度
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无复用字节阶段
sCommand.DummyCycles = 8; //Dummy 阶段。 N25Q128A13EF840F
Dummy cycles 默认为 15
//配置命令(在有数据阶段时,命令在后续发送/接收 API 调用时发送)
if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, 5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
//执行 QSPI 接收
if (HAL_QSPI_Receive(&hqspi, RxBuf,5000) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/* USER CODE END 2 */

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药无尘|  楼主 | 2021-11-15 11:58 | 只看该作者
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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STM32CubeMX http://www.st.com/content/st_com/en/products/development-tools/software-development-tools/stm32-
software-development-tools/stm32-configurators-and-code-generators/stm32cubemx.html
STM32CubeF4 http://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-
embedded-software/stm32cube-embedded-software/stm32cubef4.html

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zljiu| | 2021-12-9 20:00 | 只看该作者
会限制速度吗

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17
coshi| | 2021-12-9 20:01 | 只看该作者
这种封装的可以自己焊接吗

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18
aoyi| | 2021-12-9 20:49 | 只看该作者
如何外扩两篇呢

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19
drer| | 2021-12-9 20:51 | 只看该作者
有片选的  楼上不要担心

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gwsan| | 2021-12-9 20:55 | 只看该作者
可以使用片选复用成地址线吗

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