一、概述

（一）QSPI 簡介

QSPI（Quad Serial Peripheral Interface）是一種高速串行通信接口，在標準 SPI（Serial Peripheral Interface）的基礎上擴展至 4 條數據線（Quad Mode），顯著提升數據傳輸速率。它廣泛應用于 Flash 存儲器、傳感器和微控制器之間的通信。

（二）主要特性

• 多種模式支持 ：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）。
• 高時鐘頻率 ：通常支持 50MHz - 133MHz（取決于芯片），為數據傳輸提供高速時鐘保障。
• 低引腳占用 ：僅需 6 個引腳（CLK, CS, IO0 - IO3）即可實現全雙工通信，有效節省硬件資源。
• 內存映射模式（XIP, Execute - In - Place） ：允許 CPU 直接訪問 QSPI Flash，無需額外緩存，提升系統運行效率。

（三）應用場景

在嵌入式系統中，QSPI 常用于連接微控制器與外部 Flash 存儲器，實現程序代碼和數據的高速讀寫操作；還可與各類傳感器配合，快速傳輸傳感器采集到的數據，滿足工業控制、汽車電子、物聯網等諸多領域的實時性與大數據量傳輸需求。

二、AS32A601 QSPI 硬件設計

（二）開發板配置

在 AS32A601 開發板上，QSPI 經過一個 BUFFER 芯片接入 QSPI_FLASH，所選 FLASH 型號為 S25FL512SAGMFVG13，該型號 QSPI 支持最大速率可達 45MHz，為系統穩定運行提供可靠存儲支持。

三、QSPI 時序解析

（一）指令階段

這一階段，將在QSPI_CCR[7:0]寄存器的instruction字段中配置的一條8位指令發送到Flash，指定待執行操作的類型。

盡管大多數Flash從IO0/SO信號（單線SPI模式）只能以一次1位的方式接收指令，但指令階段可選擇一次發送2位（在雙線SPI模式中通過IO0/IO1）或一次發送4位（在四線SPI模式中通過IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過QSPI_CCR[9:8]寄存器中的IMODE[1:0]字段進行配置。若IMODE = 00，則跳過指令階段，命令序列從地址階段（如果存在）開始。

（二）地址階段

在地址階段，將1-4字節發送到Flash，指示操作地址。待發送的地址字節數在QSPI_CCR[13:12]寄存器的ADSIZE[1:0]字段中進行配置。在間接模式和自動輪詢模式下，待發送的地址字節在QSPI_AR寄存器的ADDRESS[31:0]中指定；在內存映射模式下，則通過AHB（來自于內核或DMA）直接給出地址。地址階段可一次發送1位（單線SPI模式通過SO）、2位（雙線SPI模式中通過IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過QUADSPI_CCR[11:10]寄存器中的ADMODE[1:0]字段進行配置。若ADMODE = 00，則跳過地址階段，命令序列直接進入下一階段（如果存在）。

（三）交替字節階段

在交替字節階段，將1-4字節發送到Flash，一般用于控制操作模式。待發送的交替字節數在QSPI_CCR[17:16]寄存器的ABSIZE[1:0]字段中進行配置。待發送的字節在QSPI_ABR寄存器中指定。

交替字節階段可一次發送1位（在單線SPI模式中通過SO）、2位（在雙線SPI模式中通過IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過QSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0]字段進行配置。若ABMODE = 00，則跳過交替字節階段，命令序列直接進入下一階段（如果存在）。

交替字節階段存在僅需發送單個半字節而不是一個全字節的情況，比如采用雙線模式并且僅使用兩個周期發送交替字節時。在這種情況下，固件可采用四線模式(ABMODE = 11)并發送一個字節，方法是ALTERNATE的位7和3置“1”（IO3保持高電平）且位6和2置“0”（IO2線保持低電平）。此時，半字節的高2位存放在ALTERNATE的位4:3，低2位存放在位1和0中。例如，如果半字節2 (0010)通過IO0/IO1發送，則ALTERNATE應設置為0x8A (1000_1010)。

（四）空指令周期階段

在空指令周期階段，給定的1-31個周期內不發送或接收任何數據，目的是當采用更高的時鐘頻率時，給Flash留出準備數據階段的時間。這一階段中給定的周期數在QSPI_CCR[22:18]寄存器的DCYC[4:0]字段中指定。在SDR和DDR模式下，持續時間被指定為一定個數的全時鐘周期。若DCYC為零，則跳過空指令周期階段，命令序列直接進入數據階段（如果存在）。空指令周期階段的操作模式由DMODE確定。為確保數據信號從輸出模式轉變為輸入模式有足夠的“周轉”時間，使用雙線和四線模式從Flash接收數據時，至少需要指定一個空指令周期。

（五）數據階段

在數據階段，可從Flash接收或向其發送任意數量的字節。在間接模式和自動輪詢模式下，待發送/接收的字節數在QSPI_DLR寄存器中指定。在間接寫入模式下，發送到Flash的數據必須寫入QSPI_DR寄存器。在間接讀取模式下，通過讀取QSPI_DR寄存器獲得從Flash接收的數據。在內存映射模式下，讀取的數據通過AHB直接發送回Cortex或DMA。數據階段可一次發送/接收1位（在單線SPI模式中通過SO）、2位（在雙線SPI模式中通過IO0/IO1）或4位（在四線SPI模式中通過IO0/IO1/IO2/IO3）。這可通過QUADSPI_CCR[15:14]寄存器中的ABMODE[1:0] 字段進行配置。若DMODE = 00，則跳過數據階段，命令序列在拉高nCS時立即完成。這一配置僅可用于僅間接寫入模式。

四、QSPI 與 SPI 異同比較

QSPI（Quad SPI）和SPI（Serial Peripheral Interface）是兩種串行通信協議，用于在主設備和從設備之間進行數據傳輸。它們有一些相似之處，但也有一些重要的區別。

（一）相似之處

1. 串行通信本質 ：二者均為串行通信協議，通過少量引腳實現數據傳輸，在硬件資源有限的場景下具有顯著優勢。
2. 主從架構 ：均基于主從結構，主設備主導通信發起與時序控制，從設備依主設備指令響應并完成數據交互，便于系統級的設備管理和任務調度。

（二）不同之處

1. 傳輸速率差異 ：QSPI 憑借四條數據線（Quad 模式）可同時傳輸四個數據位，支持更高傳輸速率；SPI 通常僅使用一條數據線，每次僅能傳輸一個數據位，傳輸速率相對較低。
2. 總線模式多樣性 ：QSPI 支持單線、雙線、四線等多種總線模式，可根據應用場景靈活選擇；SPI 一般僅支持單線模式，難以滿足對高帶寬有需求的復雜應用。
3. 時鐘頻率范圍 ：QSPI 為匹配高速數據傳輸，通常支持更高時鐘頻率；SPI 的時鐘頻率設計相對較低，適用于對實時性要求不苛刻的場景。
4. 引腳占用情況 ：QSPI 為實現四線模式高速數據傳輸，需更多引腳；SPI 僅需少量引腳即可完成基本通信功能，在簡單應用中硬件連接更為簡便。
5. 片選信號運用 ：QSPI 與 SPI 均使用片選信號（Chip Select）選擇通信從設備，但在復雜多設備系統中，QSPI 的多線模式可減少總線切換次數，提升整體通信效率。

總之，需要根據具體的應用需求和設備支持來選擇使用QSPI還是SPI。QSPI適用于需要更高傳輸速率和更大帶寬的應用，而SPI適用于傳輸速率要求不高的應用。

審核編輯 黃宇