利用 QuadSPI 外扩串行 NOR Flash 的实现

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judy 发布于:周五, 10/13/2017 - 11:25 ,关键词:

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。并基于 STM32CubeMX,提供访问 MICRON N25Q128A13EF840F 的实现参考。

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。

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)。

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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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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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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。

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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。

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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。

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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 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。

3.3 软件开发流程

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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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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”

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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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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。

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使能 QSPI 中断。

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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。

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。

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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。

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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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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。

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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)。

在 N25Q128A13EF840F 手册中提供了四线快速读命令时序,如下图所示。

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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)。

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 */

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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相关工具&链接
STM32CubeMX http://www.st.com/content/st_com/en/products/development-tools/software-...
STM32CubeF4 http://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embe...

来源: ST

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