STM32F7-discovery QSPI接口使用心得

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feiting94 发布时间：2015-9-8 22:09

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FMC和QSPI引脚冲突的解决

分享一个 QSPI N25Q256A的读写程序，支持QUAD, 4字节模式

1.QuadSPI接口的特点。与普通的SPI Flash接口相比，quadSPI可以接四位数据线，传输速率大大提高
STM32F7的quad-spi接口有三种模式
（1）indirect mode（间接模式）：所有操作都是用的QUADSPI寄存器，通常在对FLASH寄存器配置时用这种模式
（2）status polling mode（状态轮询模式）：外部Flash的状态寄存器查询使用的是这种模式，如果开启中断，可以产生中断信号
（3）memory-mapped mode（内存映射模式）：外部flash映射到MCU的地址空间，可以视为内部闪存，读写数据用的这种模式

STM32F7的quad-spi接口主要特点：
（1）三种工作模式
（2）Dual-Flash模式，可以同时接两片Flash，共用CLK和CS片选线。这样可以最多同时传输8位数据（4+4）
（3）支持SDR和DDR
（4）间接模式的DMA通道
（5）内嵌接收和发送FIFO
（6）支持FIFO threshold, timeout, operation complete, access error四种中断

Quad-spi完整的命令格式由5部分组成，分别是Instruction,Address,Alternate-bytes,dummy-cycles和Data这5个阶段，时序图如图所示

总结一下特点：
（1）每个阶段都可以选择是 1bit(SO/SI线 single SPI mode)，2bit(IO0/IO1线 dual SPI mode)，和4bit(IO0/IO1/IO2/IO3线 quad SPI mode)传输，
（2）写数据时,dummy cycle可以为0；读数据时，为了保证足够的转换时间，因为之前是写数据，现在要变成读，至少要1个dummy cycle
（3）这5个阶段都不是必须的，可以没有
（4）indirect mode模式，数据读取时通过QUADSPI_DR寄存器；memory-mapped mode模式，数据直接返回和输出通过AHB总线或者DMA
（5）SDR和DDR模式的区别：两者的instruction阶段都是CLK信号的下降沿数据传输；在DDR模式中，Address,Alternate-bytes和Data这3个阶段都是上升沿和下降沿都有数据传输
（6）F7有32-byte FIFO，可以设置threshold（阈值），接收数据数目超过该值时，FTF（FIFO threshold flag）=1

3.STM32F7-Discovery的quad-spi flash使用的是micron公司的N25Q128A系列，有128Mbit容量，后面附上数据手册，原理图如图所示

这里主要说明quad-spi flash代码流程分析
论坛可以下载STM32Cube_FW_F7_V1.1.0压缩包，我也是从里面的例程中学习的。
选择STM32Cube_FW_F7_V1.1.0/project/STM32746G-Discovery/example/QSPI/QSPI_ExecuteInPlace例程
（1）Flash配置寄存器初始化

/* Initialize QuadSPI ------------------------------------------------------ */
QSPIHandle.Instance = QUADSPI;
HAL_QSPI_DeInit(&QSPIHandle);
/* ClockPrescaler set to 2, so QSPI clock = 216MHz / (2+1) = 72MHz */
QSPIHandle.Init.ClockPrescaler = 2; // <span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">查阅手册可知，最大频率108MHz,这里为什么不用1呢？？</span>
QSPIHandle.Init.FifoThreshold = 4; // FIFO的阈值为4bytes，
QSPIHandle.Init.SampleShifting = QSPI_SAMPLE_SHIFTING_HALFCYCLE;
QSPIHandle.Init.FlashSize = POSITION_VAL(0x1000000) - 1; //0x1000000=16MB,
QSPIHandle.Init.ChipSelectHighTime = QSPI_CS_HIGH_TIME_2_CYCLE; //nCS stay high for at least 2 clock cycles between commands
QSPIHandle.Init.ClockMode = QSPI_CLOCK_MODE_0; //Clk stays low while nCS is released
QSPIHandle.Init.FlashID = QSPI_FLASH_ID_1; //选择第1片flash
QSPIHandle.Init.DualFlash = QSPI_DUALFLASH_DISABLE;
if (HAL_QSPI_Init(&QSPIHandle) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

复制代码

(2)使能写操作

/* Enable write operations ------------------------------------------ */
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
sCommand.Instruction = WRITE_ENABLE_CMD;
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE;
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE;
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_NONE;
sCommand.DummyCycles = 0;
sCommand.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
sCommand.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;
sCommand.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD;
if (HAL_QSPI_Command(&QSPIHandle, &sCommand, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/* Configure automatic polling mode to wait for write enabling ---- */
sConfig.Match = 0x02;
sConfig.Mask = 0x02;
sConfig.MatchMode = QSPI_MATCH_MODE_AND;
sConfig.StatusBytesSize = 1;
sConfig.Interval = 0x10;
sConfig.AutomaticStop = QSPI_AUTOMATIC_STOP_ENABLE;
sCommand.Instruction = READ_STATUS_REG_CMD;
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_1_LINE;
if (HAL_QSPI_AutoPolling(&QSPIHandle, &sCommand, &sConfig, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

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首先使用indrect mode，使用1bit instruction传输，命令是 WRITE_ENABLE_CMD，无其他4个阶段
源码中定义 #define WRITE_ENABLE_CMD 0x06；
这里要查阅芯片手册

确实是一致的。
接着使用automatic polling mode，命令是READ_STATUS_REG_CMD，读status register
automatic polling mode有如下功能，它将查询的得到的值和设置的Match值比较，只比较Mask中bit=1的位，设置可以为AND或者OR模式，
查阅手册：

确实是bit1，即mask=0x02,当该位为1时，说明写使能，故match=0x02;
（3）擦除flash的第一个sector

/* Erasing Sequence -------------------------------------------------- */
sCommand.Instruction = SECTOR_ERASE_CMD; //块擦除，64KB one sector
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_1_LINE;
sCommand.Address = qspi_addr; //qspi_addr=0
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_NONE;
sCommand.DummyCycles = 0;
if (HAL_QSPI_Command_IT(&QSPIHandle, &sCommand) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

复制代码

(4)等待擦除完毕，使用automatic polling mode查询，这里还是读status register，但读的是bit0位，而且预期值bit0=0；查阅手册

/* Configure automatic polling mode to wait for memory ready ------ */
sCommand.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
sCommand.Instruction = READ_STATUS_REG_CMD;
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_NONE;
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE;
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_1_LINE;
sCommand.DummyCycles = 0;
sCommand.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
sCommand.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;
sCommand.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD;
//bit0:write in progress 0:ready 1:busy
sConfig.Match = 0x00;
sConfig.Mask = 0x01;
sConfig.MatchMode = QSPI_MATCH_MODE_AND;
sConfig.StatusBytesSize = 1;
sConfig.Interval = 0x10;
sConfig.AutomaticStop = QSPI_AUTOMATIC_STOP_ENABLE;
if (HAL_QSPI_AutoPolling_IT(&QSPIHandle, &sCommand, &sConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

复制代码

（5）写使能并且写数据

/* Enable write operations ----------------------------------------- */
QSPI_WriteEnable(&QSPIHandle);
//QUAD INPUT FAST PROGRAM Data In:DQ[3:0];Address In:DQ0
/* Writing Sequence ------------------------------------------------ */
sCommand.Instruction = QUAD_IN_FAST_PROG_CMD;
sCommand.AddressMode = QSPI_ADDRESS_1_LINE;
sCommand.Address = qspi_addr; //qspi_addr=0
sCommand.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;
sCommand.NbData = size; //size = QSPI_PAGE_SIZE = 256
if (HAL_QSPI_Command(&QSPIHandle, &sCommand, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
if (HAL_QSPI_Transmit_DMA(&QSPIHandle, flash_addr) != HAL_OK) //flash_addr = (uint8_t *)(&Load$QSPI$Base);
{
Error_Handler();
}

复制代码

看到这里就不得不提一下scatter file文件

打开这个文件，STM32746G-DISCOVERY.sct

; *************************************************************
; *** Scatter-Loading Description File generated by uVision ***
; *************************************************************
LR_IROM1 0x08000000 0x00100000 { ; load region size_region
ER_IROM1 0x08000000 0x00100000 { ; load address = execution address
*.o (RESET, +First)
*(InRoot$Sections)
.ANY (+RO)
}
RW_IRAM1 0x20000000 0x00050000 { ; RW data
.ANY (+RW +ZI)
}
QSPI 0x90000000 0x00100000 {
*.o (.qspi)
}
}

复制代码

可以看到和一般的scatter file（分散加载描述文件）相比，多了一个QSPI执行域，
学过的都知道，这里表示链接时，将所有目标文件的.qspi段放在QSPI执行域，
再看一下F7的内存映射

在0x8000 0000到0x9FFF FFFF有一个Quad SPI，这就是memory-mapped mode的由来。
因此上面flash_addr = (uint8_t *)(&Load$$QSPI$$Base) = 0x9000 0000; DMA传输就是将 0x9000 0000处开始的size = 256bytes的数据传递到flash,模式是indrect read mode
（6）判断传输是否完成，判断的方法同步骤4
（7）重复5、6步直到传输完max_size = (uint32_t)(&Load$$QSPI$$Length)= 0x00100000
（8）设置dummy-cycle的值，配置为memory-mapped mode，命令是 QUAD_OUT_FAST_READ_CMD=0x6B，就是说映射完后，相对于内部flash

/* Configure Volatile Configuration register (with new dummy cycles) */
QSPI_DummyCyclesCfg(&QSPIHandle);
/* Reading Sequence ------------------------------------------------ */
sCommand.Instruction = QUAD_OUT_FAST_READ_CMD;
sCommand.DummyCycles = DUMMY_CLOCK_CYCLES_READ_QUAD;
sMemMappedCfg.TimeOutActivation = QSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE;
if (HAL_QSPI_MemoryMapped(&QSPIHandle, &sCommand, &sMemMappedCfg) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

复制代码

（9）执行.qspi段的代码

/* Execute the code from QSPI memory ------------------------------- */
GpioToggle();

复制代码

注意

#if defined(__CC_ARM)
#pragma arm section code = ".qspi"
#pragma no_inline
static void GpioToggle(void)
#elif defined(__ICCARM__)
static void GpioToggle(void) @ ".qspi"
#elif defined(__GNUC__)
static void __attribute__((section(".qspi"), noinline)) GpioToggle(void)
#endif
{
BSP_LED_Toggle(LED1);
/* Insert delay 200 ms */
HAL_Delay(200);
}

复制代码

我的问题：
学完之后，我一直对一个问题感到困惑，再用st-link烧写程序时，这个.qspi段是不是放在内部flash中，只有在执行时，MCU才会到0x9000 0000处执行，这时MCU读flash，但是对我们来说是屏蔽的，我们可以直接当内部flash使用。如果前面没有执行DMA将0x9000 0000处数据传递到flash，后面是不是就不对了。这个时候为什么0x9000 0000处会有数据呢，实际上这里并没有flash啊，希望有人能帮忙解答一下