AS32A601芯片QSPI 调试技术解析与与实战经验分享

一、概述

（一）QSPI 简介

QSPI（Quad Serial Peripheral Interface）是一种高速串行通信接口，在标准 SPI（Serial Peripheral Interface）的基础上扩展至 4 条数据线（Quad Mode），显著提升数据传输速率。它广泛应用于 Flash 存储器、传感器和微控制器之间的通信。

（二）主要特性

• 多种模式支持 ：兼容 Standard SPI（1 - bit 模式）、Dual SPI（2 - bit 模式）以及 Quad SPI（4 - bit 模式，最高吞吐量）。
• 高时钟频率 ：通常支持 50MHz - 133MHz（取决于芯片），为数据传输提供高速时钟保障。
• 低引脚占用 ：仅需 6 个引脚（CLK, CS, IO0 - IO3）即可实现全双工通信，有效节省硬件资源。
• 内存映射模式（XIP, Execute - In - Place） ：允许 CPU 直接访问 QSPI Flash，无需额外缓存，提升系统运行效率。

（三）应用场景

在嵌入式系统中，QSPI 常用于连接微控制器与外部 Flash 存储器，实现程序代码和数据的高速读写操作；还可与各类传感器配合，快速传输传感器采集到的数据，满足工业控制、汽车电子、物联网等诸多领域的实时性与大数据量传输需求。

二、AS32A601 QSPI 硬件设计

引脚名称	功能	说明
CLK	时钟信号	主设备输出，从设备同步数据
CS	片选信号（低电平有效）	使能从设备通信
IO0 (DQ0)	数据线0（MOSI in SPI模式）	单线模式：单向数据输入/输出
IO1 (DQ1)	数据线1（MISO in SPI模式）	单线模式：单向数据输入/输出
IO2 (DQ2)	数据线2（WP# in SPI模式）	Quad模式：双向数据传输
IO3 (DQ3)	数据线3（HOLD# in SPI模式）	Quad模式：双向数据传输

（二）开发板配置

在 AS32A601 开发板上，QSPI 经过一个 BUFFER 芯片接入 QSPI_FLASH，所选 FLASH 型号为 S25FL512SAGMFVG13，该型号 QSPI 支持最大速率可达 45MHz，为系统稳定运行提供可靠存储支持。

三、QSPI 时序解析

（一）指令阶段

这一阶段，将在QSPI_CCR[7:0]寄存器的instruction字段中配置的一条8位指令发送到Flash，指定待执行操作的类型。

尽管大多数Flash从IO0/SO信号（单线SPI模式）只能以一次1位的方式接收指令，但指令阶段可选择一次发送2位（在双线SPI模式中通过IO0/IO1）或一次发送4位（在四线SPI模式中通过IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QSPI_CCR[9:8]寄存器中的IMODE[1:0]字段进行配置。若IMODE = 00，则跳过指令阶段，命令序列从地址阶段（如果存在）开始。

（二）地址阶段

在地址阶段，将1-4字节发送到Flash，指示操作地址。待发送的地址字节数在QSPI_CCR[13:12]寄存器的ADSIZE[1:0]字段中进行配置。在间接模式和自动轮询模式下，待发送的地址字节在QSPI_AR寄存器的ADDRESS[31:0]中指定；在内存映射模式下，则通过AHB（来自于内核或DMA）直接给出地址。地址阶段可一次发送1位（单线SPI模式通过SO）、2位（双线SPI模式中通过IO0/IO1）或4位（在四线SPI模式中通过IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QUADSPI_CCR[11:10]寄存器中的ADMODE[1:0]字段进行配置。若ADMODE = 00，则跳过地址阶段，命令序列直接进入下一阶段（如果存在）。

（三）交替字节阶段

在交替字节阶段，将1-4字节发送到Flash，一般用于控制操作模式。待发送的交替字节数在QSPI_CCR[17:16]寄存器的ABSIZE[1:0]字段中进行配置。待发送的字节在QSPI_ABR寄存器中指定。

交替字节阶段可一次发送1位（在单线SPI模式中通过SO）、2位（在双线SPI模式中通过IO0/IO1）或4位（在四线SPI模式中通过IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0]字段进行配置。若ABMODE = 00，则跳过交替字节阶段，命令序列直接进入下一阶段（如果存在）。

交替字节阶段存在仅需发送单个半字节而不是一个全字节的情况，比如采用双线模式并且仅使用两个周期发送交替字节时。在这种情况下，固件可采用四线模式(ABMODE = 11)并发送一个字节，方法是ALTERNATE的位7和3置“1”（IO3保持高电平）且位6和2置“0”（IO2线保持低电平）。此时，半字节的高2位存放在ALTERNATE的位4:3，低2位存放在位1和0中。例如，如果半字节2 (0010)通过IO0/IO1发送，则ALTERNATE应设置为0x8A (1000_1010)。

（四）空指令周期阶段

在空指令周期阶段，给定的1-31个周期内不发送或接收任何数据，目的是当采用更高的时钟频率时，给Flash留出准备数据阶段的时间。这一阶段中给定的周期数在QSPI_CCR[22:18]寄存器的DCYC[4:0]字段中指定。在SDR和DDR模式下，持续时间被指定为一定个数的全时钟周期。若DCYC为零，则跳过空指令周期阶段，命令序列直接进入数据阶段（如果存在）。空指令周期阶段的操作模式由DMODE确定。为确保数据信号从输出模式转变为输入模式有足够的“周转”时间，使用双线和四线模式从Flash接收数据时，至少需要指定一个空指令周期。

（五）数据阶段

在数据阶段，可从Flash接收或向其发送任意数量的字节。在间接模式和自动轮询模式下，待发送/接收的字节数在QSPI_DLR寄存器中指定。在间接写入模式下，发送到Flash的数据必须写入QSPI_DR寄存器。在间接读取模式下，通过读取QSPI_DR寄存器获得从Flash接收的数据。在内存映射模式下，读取的数据通过AHB直接发送回Cortex或DMA。数据阶段可一次发送/接收1位（在单线SPI模式中通过SO）、2位（在双线SPI模式中通过IO0/IO1）或4位（在四线SPI模式中通过IO0/IO1/IO2/IO3）。这可通过QUADSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0] 字段进行配置。若DMODE = 00，则跳过数据阶段，命令序列在拉高nCS时立即完成。这一配置仅可用于仅间接写入模式。

四、QSPI 与 SPI 异同比较

QSPI（Quad SPI）和SPI（Serial Peripheral Interface）是两种串行通信协议，用于在主设备和从设备之间进行数据传输。它们有一些相似之处，但也有一些重要的区别。

（一）相似之处

1. 串行通信本质 ：二者均为串行通信协议，通过少量引脚实现数据传输，在硬件资源有限的场景下具有显著优势。
2. 主从架构 ：均基于主从结构，主设备主导通信发起与时序控制，从设备依主设备指令响应并完成数据交互，便于系统级的设备管理和任务调度。

（二）不同之处

1. 传输速率差异 ：QSPI 凭借四条数据线（Quad 模式）可同时传输四个数据位，支持更高传输速率；SPI 通常仅使用一条数据线，每次仅能传输一个数据位，传输速率相对较低。
2. 总线模式多样性 ：QSPI 支持单线、双线、四线等多种总线模式，可根据应用场景灵活选择；SPI 一般仅支持单线模式，难以满足对高带宽有需求的复杂应用。
3. 时钟频率范围 ：QSPI 为匹配高速数据传输，通常支持更高时钟频率；SPI 的时钟频率设计相对较低，适用于对实时性要求不苛刻的场景。
4. 引脚占用情况 ：QSPI 为实现四线模式高速数据传输，需更多引脚；SPI 仅需少量引脚即可完成基本通信功能，在简单应用中硬件连接更为简便。
5. 片选信号运用 ：QSPI 与 SPI 均使用片选信号（Chip Select）选择通信从设备，但在复杂多设备系统中，QSPI 的多线模式可减少总线切换次数，提升整体通信效率。

总之，需要根据具体的应用需求和设备支持来选择使用QSPI还是SPI。QSPI适用于需要更高传输速率和更大带宽的应用，而SPI适用于传输速率要求不高的应用。

审核编辑 黄宇