嵌入式开发实战系列：QSPI Flash驱动功能解析

前言

首先，请问大家几个小小问题，你清楚：

QSPI协议的基本内容与功能应用场景吗？
QSPI Flash驱动读写过程中存在哪些不一样的操作模式呢？
基于AUTOSAR架构下Flash驱动接口有哪些？
在平常使用QSPI Flash接口的过程中存在哪些注意事项呢？

今天，我们来一起探索并回答这些问题。为了便于大家理解，以下是本文的主题大纲：

正文

QSPI协议介绍

QSPI全称为“Queued SPI”，本质上是属于SPI协议的一种，一般来说，SPI协议可以分为Standard SPI，Dual SPI，以及本文要讲解的Queued SPI。只不过Dual SPI，Queued SPI常用于作为SPI Flash的通信接口。

功能应用

QSPI作为一种队列串行外围接口协议，就是对SPI协议的扩展，可以通过单线，双线或四线模式与外部Flash存储器进行高速通信。其功能应用场景如下：

数据存储：可以用来实现大量数据的存储，如代码，图像，视频等，从而提高数据的读写速度与容量；
代码执行：QSPI用于执行外部Flash存储器的代码，这样可以节约内部Flash的空间，如通过QSPI XIP模式从而实现在Memmap下执行代码；
与其他外围设备进行通信：QSPI也可支持与其他QSPI协议的外围设备进行通信，如传感器，显示器等，可以提高通信的效率与灵活性；

协议特点

QSPI协议作为一种SPI协议的扩展，一般而言，可以分为两种工作模式，即设置模式与Memmap模式，虽然也有些芯片存在三种，如STM32，不同芯片存在些许差异可以理解，本质上可以归纳为上述两者；
QSPI协议的命令序列包括指令、地址、交替字节、空指令和数据这五个阶段，任一阶段均可跳过，但至少要包含指令、地址、交替字节或数据阶段之一；
一般而言，QSPI仅支持dual read 与quad read模式，不支持dual write与quad write两种模式，同时也不会存在QSPI 输入与输出的loop back模式；

QSPI Flash驱动说明

虽然市面上存在许多的Flash驱动供应商，但是基本都大同小异，本文已TI系列的QSPI Flash驱动介绍举例给大家介绍下其QSPI的硬件实现原理，读写操作模式以及EDMA搬运等操作。

QSPI硬件实现原理

作为QSPI通信的双方，本质上来讲都是主芯片端作为主设备，可以通过控制CS引脚来决定与外围不同的Flash芯片进行通信，同时通过输出Clock时钟来完成针对从设备的通信传输控制，如下图所示：

图1 QSPI硬件连接原理(图片来源于TI官方文档)

左图为主芯片的内部QSPI的控制器，右图则为外部的支持QSPI协议的外部Flash，两者之间通过QSPI协议接口连接，包含1个CLK引脚，1个CS引脚与4个用于传输数据的IO引脚。

针对上图中的内容，小T将针对每个引脚做个较为详细的介绍，如下表所示：

QSPI引脚介绍

图2 QSPI接口引脚功能定义

QSPI读写操作模式

通过上述文章我们了解到QSPI存在3线Single Write/Read模式，4线Single Write/ Read，Dual Read模式，6线Quad Read模式的6种QSPI读写方式，在具体的项目实际应用过程中，我们一般推荐正常的写入操作通过4线Single Write来写入，读取操作推荐采用6线Quad Read模式，这样才能最大效率的利用Flash硬件自身特性，从而提高通信效率。

如下图所示为QSPI 控制器的内部组成关系，从中我们可以得出如下几个关键结论：

图3 QSPI控制器接口内部结构(来源于TI官方文档)

整个QSPI控制器可以分为SFI_MM_IF与SPI_CORE两个模块，其中SFI_MM_IF模块主要负责读写指令，地址以及dummy cycle的个数等，而SPI_CORE主要负责芯片的时钟极性与时钟相位以及传输的长度等；
SFI_MM_IF接口由以下两个部分组成：
- SFI register control：用来实现上述读写指令的初始化设置；
- SFI translator：将对应的SFI register control中的读写指令发送至SPI_CORE模块来外部Flash；
SPI_CORE模块则是由如下四个部分组成：
- SPI_CNTIF：SPI Control Interface，用于设置对应的读写指令，时钟极性或相位等，在配置模式下会使用到；
- SPI_CLKGEN：SPI Clock Generator，用于设置通信相关的时钟频率；
- SPI_MACHINE：SPI State Machine，将SPI_CNTIF中的相关读写指令作为输入，然后控制数据的移位发送等；
- SPI_SHIFTER：SPI Data Shifter，用来实现接口信号的捕捉与生成。
QSPI控制器支持两种配置方式，一种是Config模式，另外一种则是Memmap方式；对于写入操作不支持Memmap方式仅支持Config模式，对于读取操作推荐使用Memmap方式，这样便可以直接在芯片MCU的Memory Layout中看到相应的外部Flash空间的代码或者数据。
对于QSPI接口的通信双方而言，需要确保两者通信的时钟极性与时钟相位是一致的，时钟极性与时钟相位的组合有如下4种方式：

图4 QSPI时钟极性与时钟相位关系图

QSPI EDMA搬运

当通过QSPI去读取大量数据时，我们推荐使用Memmap方式读取+EDMA的方式来完成，因为通过该两种技术手段的结合，我们便可以减小CPU负担，直接让EDMA去执行对应的数据读取操作；
有关EDMA的具体实现机理就不再本文进行展开，后续将进行单独讲解，欢迎多多关注小T。

AUTOSASR架构下Flash驱动标准接口

小T将AUTOSAR架构下针对Flash驱动的标准接口以及相关需求列举如下，这样在我们使用Flash驱动过程我们能够快速的了解到Flash驱动的关键API的具体功能与作用。

标准Flash接口

图5 Flash驱动标准接口表

在使用上述标准的AUTOSAR Flash驱动API也有很多需要注意的地方，小T将自己觉得需要特别注意的点列举如下，这也是大家容易忽视的一些点：

在使用Flash驱动其他读，写等接口之前，务必需调用Fls_Init完成初始化，否则后续的Flash操作请求将会无效；
如果你使用的是外部Flash并采用QSPI驱动，请务必在Fls_Init之前执行QSPI驱动的初始化，保证一个有效的初始化过程；
在执行Flash写入操作时其写入地址与长度均需要与Flash的Page单位进行对齐，如一般为256字节，具体还是取决于Flash芯片型号；
在执行Flash擦除操作时，需确保其擦除地址与长度与Flash的sector单位进行对齐，如一般为4K，具体还是取决于Flash芯片型号；
Fls_Read, Fls_Write等关键API操作均属于异步操作且不可重入，因此需确保Flash驱动的被操作对象的唯一性，不要应用层与Fee模块冲突，统一通过NVM发送请求来完成Flash的操作；

QSPI Flash驱动使用注意事项

小T在具体的软件开发过程中，也遇到过很多跟Flash驱动操作有关的问题，这些问题往往解决起来非常棘手，因为非常偶发且极难复现。

这类问题更多时候还是我们缺乏防御性编程思维，没有针对Flash可能失效的场景进行全面的考虑，以下小T将我个人针对Flash驱动的几个常见的经验总结列举如下，希望能给大家后续的Flash驱动开发带来一些帮助与思考。

在每次系统启动或者复位的过程中，最为推荐的做法针对外部Flash同步进行reset操作，该操作可以一般存在如下三种方式：
- 每次启动或者复位的过程中可通过硬件来操作Flash的上下电操作来完成Flash自身的重置；
- 通过软件的方式来拉低Reset引脚来实现外部Flash复位，这种方式需要考虑到引脚复用功能是否可用的可能性；
- 通过软件的方式在初始化的过程中通过QSPI通信发送软复位指令让Flash芯片进行重置；
如果需要针对外部的SPI Flash通过QSPI进行通信，需要特别注意该SPI Flash芯片的QE位是否默认使能，如果没有使能，将无法采用QUAD SPI进行通信，因此建议工厂端刷写软件过程中均需要主动设置该QE位或者在软件初始化过程中设置该QE位，该QE位一旦写入掉电也会丢失，仅需写入一次即可；
在执行Flash初始化过程中需要针对Flash外部型号，如Manufacture ID等设备号进行校验，确保不会出现生产过程中出现芯片型号贴错的场景；
在软件运行过程中有时会偶发导致系统跑飞意外执行操作Flash驱动写或者擦除操作导致用户程序遭到破坏，从而软件无法正常启动，因此有必要针对关键应用程序代码空间进行Flash写保护，这样即使程序死机复位后整个系统也能够再次正常启动。

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