OSPI Flash（Octal SPI Flash）是一種基于SPI（串行外設接口）擴展的高速串行Flash存儲器，采用8-bit數據總線通信方式。相比傳統的SPI或Quad SPI（QSPI），OSPI提供更高的數據吞吐率與更優的系統性能。OSPI Flash主要應用在高性能嵌入式系統啟動，圖形界面處理（GUI）/人機交互界面（HMI），嵌入式AI模型存儲等領域。瑞薩高性能MCU、MPU都提供了功能強大的OSPI接口，它不僅可以工作在8線的高速模式下，還兼容普通的單線（SPI），雙線（DSPI）和四線（QSPI）的多種工作模式和多種協議模式。

然而面對廣大不同廠家的OSPI Flash，雖然說大部分功能相似，大部分功能也可以復用，但是不同廠家的OSPI Flash還是存在或多或少的差別。因此如果客戶出于成本的考慮，需要更換OSPI Flash的時候，需要做驅動層的適配工作。那如何做OSPI Flash的驅動的適配工作？

下面我以Renesas RA8D1這款高性能MCU為例來說明如何進行OSPI Flash驅動的適配工作，總結成兩篇適配秘籍，可以供客戶參考。公欲善其事，必先懂其基（基本原理），本篇文章先就OSPI的一些工作模式和協議等基本概念做一個相對系統的介紹。后續的篇章我們將以Winbond W35T51NW OSPI Flash為例來展開具體的驅動的適配工作。請感興趣的讀者持續關注！

讀者朋友們可以先了解一下RA8D1的OSPI specifications：

RA8D1的OSPI工作模式：

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1Support Protocol modes below

xSPI規范支持多種協議模式，包括1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D、1S-2S-2S、2S-2S-2S、1S-4S-4S、4S-4S-4S等。這些模式主要是基于數據傳輸位寬（線數）和時鐘模式（SDR/DDR）進行區分。

1協議模式的基本概念

1S、2S、4S、4D、8D代表了數據傳輸過程中使用的線數：

○1S（Single Line，單線）：每個時鐘周期傳輸1bit數據。

○2S（Dual Line，雙線）：每個時鐘周期傳輸2bit數據（雙線，每根線1bit）。

○4S（Quad Line，四線）：每個時鐘周期傳輸4bit數據（四線，每根線1bit）。

○4D（Qcta Line，四線DDR）：每個時鐘周期傳輸8bit數據,因為采用DDR（DDR雙數據速率）模式，時鐘周期的上升沿傳輸4bit數據，下降沿傳輸4bit數據。

○8D（Octa Line，八線DDR）：每個時鐘周期傳輸16bit數據，因為采用DDR（DDR雙數據速率）模式，時鐘周期的上升沿傳輸8bit數據，下降沿傳輸8bit數據。

SDR（Single Data Rate，單數據速率）DDR（Double Data Rate，雙數據速率）：

○SDR：僅在時鐘上升沿傳輸數據。

○DDR：在時鐘上升沿和下降沿傳輸數據，線數相同的情況下吞吐量是SDR的2倍。

2具體模式說明

不同模式的主要區別在于xSPI接口訪問Flash的地址、命令和數據階段分別使用多少條數據線進行傳輸。

模式	命令階段	地址階段	數據階段	時鐘模式
1S-1S-1S	1-bit	1-bit	1-bit	SDR
4S-4D-4D	4-bit	DDR4-bit	DDR4-bit	DDR
8D-8D-8D	DDR8-bit	DDR8-bit	DDR8-bit	DDR
1S-2S-2S	1-bit	2-bit	2-bit	SDR
2S-2S-2S	2-bit	2-bit	2-bit	SDR
1S-4S-4S	1-bit	4-bit	4-bit	SDR
4S-4S-4S	4-bit	4-bit	4-bit	SDR

下面以1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D三種協議模式舉例說明

1S-1S-1S（傳統SPI模式）

○命令、地址、數據階段都使用單線傳輸（每個時鐘周期1bit）。

○ 這種模式兼容傳統SPI，但傳輸速度較慢。

○優點：兼容性好，適用于低速SPI設備。

4S-4D-4D（Quad SPI DDR模式）

○命令階段：使用4-bit傳輸（相比1S提高4倍）。

○地址階段：使用4-bitDDR傳輸（時鐘上升沿和下降沿都發送數據）。

○數據階段：使用4-bitDDR傳輸，吞吐量更高。

○優點：相比1S-1S-1S，吞吐量提高了8倍，適用于高速NORFlash存儲應用。

8D-8D-8D（Octa SPI DDR模式）

○命令、地址、數據都使用8-bitDDR傳輸。

○ 相比4S-4D-4D，吞吐量翻倍。

○ 適用于極高速NORFlash存儲，如PSRAM、Octa Flash、Octa HyperRAM。

2Configurable address length

支持可配置的地址長度（常見如24-bit或32-bit地址模式）：

24-bit通常用于小于16MB（128Mbit）的Flash；

32-bit用于更大容量的Flash（>16MB）；

3Configurable initial access latency cycle

指訪問延遲周期（Latency Cycle）可配置，在XIP或連續讀取模式中尤為關鍵：

設備允許設置dummy cycle數量；

適應不同主頻、控制器時序要求；

優化帶寬性能或兼容性。

4Support XiP mode

支持Execute in Place（XIP）模式：

MCU/MPU可將Flash映射入內部地址空間；

支持直接讀取并執行，不需復制到RAM；

通常與memory-mapped mode、持續讀取命令組合使用。

RA8D1的OSPI接口功能：

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1Support Write Data Mask（支持寫數據掩碼）

允許在寫入數據時屏蔽某些字節，使其不被改寫，而其他字節仍然可以被正常寫入。

這種功能通常用于按位更新存儲器內容，而無需先讀取、修改、再寫入完整數據。

2Support In-band Reset（支持帶內復位）

通過OSPI總線上的指令或數據序列觸發設備復位，而不是依賴額外的硬件復位引腳。

○ 適用于系統集成度高、不易接觸硬件復位引腳的應用，如嵌入式系統和工業控制設備。

3Memory-mapping（內存映射模式）

OSPI控制器支持將外部Flash設備的存儲空間直接映射到MCU地址空間，使其像內部RAM/ROM一樣被訪問。

1Support up to 256MB address space each CS

（每個CS支持高達256MB的地址空間）

在內存映射模式下，每個片選（CS，Chip Select）可支持高達256MB的存儲空間，這意味著可以使用較大的外部存儲器。

應用場景：

○ 適用于大容量代碼存儲（如執行XIP（execute In Place）），即代碼直接在Flash中運行，而無需拷貝到RAM。

○ 適用于存儲大量數據，如日志記錄、固件存儲、AI推理模型等。

2Prefetch function for burst-read with

low latency（預取功能，提高突發讀取性能）

在突發讀取(BurstRead)模式下，OSPI控制器會提前讀取后續數據并存入緩沖區，減少訪問延遲。

應用場景：

○ 適用于實時性要求較高的應用，例如高速圖像處理、實時操作系統（RTOS）等。

○XIP模式下，可以減少CPU訪問外部Flash的延遲，提高程序運行效率。

3Outstanding buffer for burst-write with

high throughput（突發寫入優化，提高吞吐量）

突發寫入（BurstWrite）時，OSPI控制器使用Outstanding buffer（寫入緩沖區），允許CPU快速提交數據，而不必等待Flash完成寫入，提高吞吐量。

應用場景：

○ 適用于數據流量較大的應用，如數據記錄、固件升級、機器學習模型加載等。

4Manual command（手動指令模式）

OSPI支持手動發送自定義指令，使其適用于不同廠商的Flash設備，并提供更靈活的操作方式。

1Configurable up to 4 commands

（可配置最多4條指令）

用戶可以預設4條常用指令（如讀、寫、擦除等），減少軟件控制開銷，提高效率。

2Status Register Polling function

（狀態寄存器輪詢功能）

允許MCU輪詢Flash的狀態寄存器，以確定Flash是否完成寫入、擦除等操作，避免不必要的等待。

5Input Strobe port timing shift

（輸入同步信號端口的時序調整）

在高速OSPI傳輸中，數據可能會有時序偏移。這個功能允許調整數據采樣時鐘，以確保數據穩定可靠。

應用場景：

○ 當使用不同的Flash器件時，可能會因工藝或PCB布局導致時序誤差，調整該參數可以優化信號完整性。

○ 適用于高速通信場景，如工業自動化、汽車電子、無線通信設備等。

下面具體給讀者解讀一下在8D-8D-8D協議下的時序圖：

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圖中相關信號線的含義如下表所示：

信號	含義	說明
clk_spi（Internal Clock）	控制器內部工作時鐘	控制器使用的內部時鐘，驅動SPI狀態機，不直接輸出
OM_CS0/CS1	片選信號	有效為低，表示與Flash通信開始
OM_SCLK	外部SPI時鐘	控制器發出的時鐘信號，Flash據此采樣或發送數據
OM_SIO[7:0]	Octal IO數據線	8位數據總線，雙向通信（收發命令/地址/數據）
OM_DQS	數據選通信號	DDR模式下Flash輸出的時鐘對齊信號，用于控制器采樣數據

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從上圖可以看到command field的一個時鐘周期的上升沿可以采集8位數據（因為有OM_SIO0-OM_SIO7八根線的數據，每根線上一位數據），下降沿也可以采集8位數據，這樣一個時鐘周期可以采集16bit的數據。同樣的道理地址段兩個時鐘周期，可以采集32位數據。那么這樣數據段的傳輸速率，相比1S-1S-1S協議提高了16倍。

關于OSPI Flash適配的內功心法就大致介紹完畢。我們將在下一個篇章推出具體的Octa Flash適配的移形換位大法。請感興趣的讀者，持續關注我們的#瑞薩嵌入式小百科公眾號。