如何使用QSPI Flash控制器開發(fā)板上的 QSPI Flash進(jìn)行寫讀操作

學(xué)習(xí)內(nèi)容

本文首先介紹Flash和QSPI Flash控制器的相關(guān)內(nèi)容，然后使用 QSPI Flash 控制器，開發(fā)板上的 QSPI Flash 進(jìn)行寫、 讀操作。通過對(duì)比讀出的數(shù)據(jù)是否等于寫入的數(shù)據(jù)， 從而驗(yàn)證讀寫操作是否正確。

開發(fā)環(huán)境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2開發(fā)板。

Flash簡(jiǎn)介

Flash存儲(chǔ)器，又叫做閃存，是一種非易失性存儲(chǔ)器。具有操作方便讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)。一般用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和程序代碼，或者用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Flash的存儲(chǔ)單元組織為塊陣列，塊是擦除操作的最小單位，擦除操作將塊內(nèi)的所有為置位為1，頁是讀寫操作的基本單位。

在對(duì)頁進(jìn)行寫操作前，要判斷該頁內(nèi)所有位是否為1。如果全部為1可以寫操作，否則要對(duì)整塊進(jìn)行擦除操作（Flash只能從1反轉(zhuǎn)到0）。Flash在內(nèi)部結(jié)構(gòu)（接口）上主要分為Nor flash 和NAND flash。

Nor Flash ：寫入和擦除的速度低；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；存儲(chǔ)容量較小；一般用于存儲(chǔ)Bootloader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼，可以在芯片內(nèi)部直接運(yùn)行代碼。NAND Flash ：寫入和擦除的速度較快；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；存儲(chǔ)容量較大；一般用于存儲(chǔ)材料和數(shù)據(jù)。

Flash在外部接口上主要分為CFI flash 和SPI（STD/Dual/Quad） flash。CFI flash 讀寫速度快，需要的硬件引腳多且不同容量的硬件不兼容；而SPI（STD/Dual/Quad） flash讀寫速度慢，需要的硬件引腳少且不同容量的硬件兼容。

QSPI Flash簡(jiǎn)介

介紹

Quad-SPI閃存控制器是位于PS內(nèi)的輸入/輸出外設(shè)（IOP）的一部分。它用于訪問多位串行閃存設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低引腳數(shù)應(yīng)用。

控制器可以以三種模式運(yùn)行：I / O模式，線性尋址模式和傳統(tǒng)SPI模式。

在I / O模式下，軟件與閃存設(shè)備協(xié)議緊密交互，所以在該模式下需要對(duì)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)了解。軟件通過使用四個(gè)TXD寄存器將閃存命令和數(shù)據(jù)寫入控制器。軟件通過讀取RXD寄存器。

線性尋址模式使用設(shè)備操作的子集來消除I / O模式讀取閃存所需的軟件開銷。也就是說線性尋址模式比IO模式要快的多。線性模式采用硬件來向閃存發(fā)出命令，并控制從flash到AXI接口的數(shù)據(jù)?？刂破黜憫?yīng)AXI接口上的存儲(chǔ)器請(qǐng)求，就好像閃存是ROM存儲(chǔ)器。

在傳統(tǒng)模式下，QSPI控制器充當(dāng)普通的SPI控制器。

控制器可以與一或兩個(gè)閃存設(shè)備接口?？梢圆⑿羞B接兩個(gè)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)8位性能，也可以以堆疊的4位布局連接以最大程度地減少引腳數(shù)。

系統(tǒng)框圖

QSPI Flash 控制器的系統(tǒng)框圖如下所示：

從上圖中可知， QSPI Flash 控制器通過 MIO 與外部 Flash 器件連接，支持三種模式：?jiǎn)蝹€(gè)從器件模式、雙從器件并行模式和雙從器件堆疊模式。雙從器件并行模式把每個(gè)flash的IO進(jìn)行單獨(dú)連接，擴(kuò)展成8位用于控制對(duì)不同flash的訪問。而雙從器件堆疊模式，使用SS片選信號(hào)進(jìn)行區(qū)分flash的使能，所以想擴(kuò)展 QSPI Flash 的存儲(chǔ)容量，可以使用雙從器件并行模式。

當(dāng)使用單個(gè)設(shè)備時(shí)，直接存儲(chǔ)器讀取的地址映射從FC00_0000開始，最大為FCFF_FFFF（16 MB）。兩臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)的地址映射取決于存儲(chǔ)設(shè)備和I / O配置。

QSPI Flash 控制器內(nèi)部框圖

由上圖可知，在線性地址模式下，使用的是AXI的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的，首先由AXI總線讀取到響應(yīng)的指令，并存到Command FIFO，然后使用AXI to SPI的命令轉(zhuǎn)化器傳輸?shù)竭x擇器。在IO模式下，使用的是APB接口直接把接收到的信號(hào)傳輸給選擇器進(jìn)行選擇。

然后選擇器進(jìn)行功能選擇后傳輸?shù)絋xFIFO，接著把Tx FIFO的數(shù)據(jù)進(jìn)行串行化，然后通過MIO引腳發(fā)送。接收部分原理相反，而且可以看出在線性地址模式下，接收信號(hào)的轉(zhuǎn)換使用的是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。所以在線性地址模式下，只支持讀取數(shù)據(jù)，不支持發(fā)送數(shù)據(jù)。

流程控制

在數(shù)據(jù)傳輸期間，I / O模式具有不同的流控制模式。用戶可以在自動(dòng)和手動(dòng)模式之間進(jìn)行選擇，該模式由config_reg.MANSTARTEN（Man_start_com）控制。在自動(dòng)模式下，包括芯片選擇控制在內(nèi)的整個(gè)傳輸過程都在硬件中完成。

無需軟件干預(yù)。在手動(dòng)模式下，用戶控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。在這種情況下，軟件要么將整個(gè)傳輸序列寫入TxFIFO，要么直到TxFIFO已滿。在手動(dòng)模式下，用戶除了控制傳輸開始之外，還可以選擇控制芯片選擇。從命令開始，軟件再次將傳輸序列寫入TxFIFO，直到TxFIFO已滿。然后，軟件拉高CS，然后手動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行硬件管理。

編程指南

在xilinx給出的UG585指導(dǎo)手冊(cè)中，對(duì)QSPI Flash 控制器編程設(shè)計(jì)進(jìn)行了指導(dǎo)開發(fā)，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要參考指導(dǎo)手冊(cè)中的編程順序?qū)崿F(xiàn)自己的應(yīng)用功能。

啟動(dòng)順序

配置時(shí)鐘。

配置發(fā)送/接收信號(hào)。（以上兩步在vivado底層搭建中已經(jīng)完成設(shè)計(jì)）

配置控制器

該步驟適用于線性尋址和I / O模式。它配置了控制器的波特率，F(xiàn)IFO，flash模式，時(shí)鐘相位/極性和對(duì)環(huán)回延遲進(jìn)行編程。

配置控制器。寫入qspi.Config_reg寄存器。a. 設(shè)置波特率［BAUD_RATE_DIV］。b. 選擇主模式，［MODE_SEL］ = 1。C. 選擇flash模式（不是傳統(tǒng)SPI），［LEG_FLSH］ = 1。d. 選擇Little Endian，［endian］ = 0。e. 將FIFO寬度設(shè)置為32位［FIFO_WIDTH］。F. 設(shè)置時(shí)鐘相位［CLK_PH］和極性［CLK_POL］。

啟用回送時(shí)鐘。如果使用回送時(shí)鐘，確保將qspi.Config_reg ［BAUD_RATE_DIV］設(shè)置為0b00，并使用以下設(shè)置配置qspi.LPBK_DLY_ADJ（回送延遲調(diào)整）寄存器：a. 設(shè)置為選擇內(nèi)部時(shí)鐘。qspi.LPBK_DLY_ADJ ［USE_LPBK］ = 1。b. 將時(shí)鐘延遲設(shè)置為0。qspi.LPBK_DLY_ADJ ［DLY0］ = 0b00。c. 設(shè)置時(shí)鐘延遲1. qspi.LPBK_DLY_ADJ ［DLY1］ = 0b00。

線性尋址模式

線性尋址模式下數(shù)據(jù)讀?。ù鎯?chǔ)器讀?。┑牟僮黜樞蛉缦拢?/p>

將手動(dòng)啟動(dòng)啟用設(shè)置為自動(dòng)模式。設(shè)置qspi.Config_reg ［Man_start_en］ = 0。

使能片選信號(hào)。設(shè)置qspi.Config_reg ［PCS］ = 0。

將配置寄存器編程為線性尋址模式。

啟用控制器。設(shè)置qspi.En_REG ［SPI_EN］ = 1。

從線性地址存儲(chǔ)區(qū)讀取數(shù)據(jù)。內(nèi)存范圍取決于大小和設(shè)備數(shù)量。范圍是從0xFC00_0000到0xFDFF_FFFF。

禁用控制器。設(shè)置qspi.En_REG ［SPI_EN］ = 0。

取消使能片選信號(hào)。設(shè)置qspi.Config_reg ［PCS］ = 1。

配置I / O模式

使用I / O模式進(jìn)行讀取和寫入編程步驟如下：

啟用手動(dòng)模式。qspi.Config_reg ［Man_start_en，Manual_CS］ = 1。

配置flash設(shè)備。對(duì)單個(gè)閃存設(shè)備使用qspi.LQSPI_CFG寄存器的重置值。如果是并行雙閃存設(shè)備，則將1寫入TWO_MEM，SEP_BUS位字段。

使能片選。設(shè)置qspi.Config_reg ［PCS］ = 0。

啟用控制器。設(shè)置qspi.En_REG ［SPI_EN］ = 1。

將字節(jié)序列寫入閃存。使用TXD從1到4字節(jié)寫入TxFIFO寄存器。

避免TxFIFO溢出。當(dāng)TxFIFO為空時(shí)，可以寫入252個(gè)字節(jié)。此后，軟件可以通過讀取qspi.Intr_status_REG ［TX_FIFO_full］并等待直到它等于0之后再寫入TXD寄存器，來避免TxFIFO溢出。

啟用中斷。寫入qspi.Intrpt_en_REG。

開始數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)置qspi.Config_reg ［Man_start_com］ = 1。

中斷處理程序：在編程/讀取操作期間，將所有需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絈SPI flash，并傳輸?shù)絈uad-SPI flash。

如果執(zhí)行了讀取操作：重新排列READ數(shù)據(jù)以消除由于空循環(huán)而讀取的數(shù)據(jù)。

取消使能片選信號(hào)。設(shè)置QSPI.Config_reg ［PCS］ = 1。

禁用控制器。設(shè)置qspi.En_REG ［SPI_EN］ = 0。

I/O模式中斷服務(wù)程序

配置ISR以根據(jù)Quad-SPI器件類型處理中斷條件。要從Quad-SPI器件讀取數(shù)據(jù)，最簡(jiǎn)單的ISR從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)并將內(nèi)容寫入TxFIFO?？刂破魃上到y(tǒng)外設(shè)中斷（SPI），IRQ ID＃51。對(duì)以下兩種情況進(jìn)行觸發(fā)中斷。a. 讀取傳輸中斷。RxFIFO不為空中斷b. 寫傳輸中斷。TxFIFO未完全中斷

I/O模式中斷

中斷僅在I / O模式下使用。只要滿足任何中斷條件，控制器中斷就被置為有效。Quad-SPI中斷處理程序檢查中斷原因。單個(gè)中斷服務(wù)程序可以管理所有中斷條件。

Rx和Tx的中斷處理程序

中斷處理程序由IRQ ID＃51觸發(fā)。示例讀取RxFIFO直到其為空，然后填充TxFIFO。RxFIFO非空中斷狀態(tài)用于確定是否可以從RxFIFO讀取內(nèi)容。TxFIFO未滿中斷指示TxFIFO中是否有空間容納更多內(nèi)容。

禁用控制器中的所有中斷。將qspi.Intrpt_dis_REG ［TX_FIFO_not_full，RX_FIFO_full］都設(shè)置為1。

清除中斷。將1s寫入中斷狀態(tài)寄存器qspi.Intr_status_REG。

清空RxFIFO。檢查是否聲明了RxFIFO非空中斷。如果qspi.Intr_status_REG ［RX_FIFO_not_empty］ = 1，則RxFIFO中有數(shù)據(jù)。a. 如果狀態(tài)為有效，則從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)。使用qspi.RX_data_REG寄存器讀取數(shù)據(jù)。b. 從RxFIFO讀取數(shù)據(jù)并輪詢中斷狀態(tài)，直到RxFIFO為空。當(dāng)qspi.Intr_status_REG ［RX_FIFO_not_empty］ = 0時(shí)，RxFIFO為空。

填充TxFIFO。檢查TxFIFO未滿狀態(tài)是否有效。如果 qspi.Intr_status_REG ［TX_FIFO_not_Full］ = 1，則存在要發(fā)送到閃存設(shè)備的數(shù)據(jù)（編程和/或讀取操作）：a. 將數(shù)據(jù)寫入qspi.TXD0寄存器。b. 輪詢qspi.Intr_status_REG ［TX_FIFO_full］ = 1，這表明TX FIFO已滿。c. 遵循步驟a和b，直到將所有數(shù)據(jù)寫入TxFIFO或直到qspi.Intr_status_REG［TX_FIFO_full］ = 1。

啟用中斷。將qspi.Intrpt_en_REG ［TX_FIFO_not_full，RX_FIFO_full］都設(shè)置為1。

開始數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)置qspi.Config_reg ［MANSTRTEN］ = 1。

在本次工程設(shè)計(jì)中，使用QSPI Flash控制器對(duì)ZYNQ的QSPI Flash進(jìn)行讀寫操作。通過對(duì)比讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)是否相等驗(yàn)證讀寫功能是否正常。

硬件平臺(tái)搭建

新建工程，創(chuàng)建 Block Design。添加ZYNQ7 ip，根據(jù)本次工程需要對(duì)IP進(jìn)行配置。勾選本次工程使用的資源。完成對(duì)所用資源的勾選，在clock configuration這里可以查看對(duì)QSPI的時(shí)鐘配置。這里不需要對(duì)其他資源進(jìn)行配置，所以可以使用默認(rèn)配置。然后我們進(jìn)行g(shù)enerate output product 然后生成HDL封裝。這里用到了僅僅用到了PS部分的資源，所以不需要進(jìn)行管腳分配。點(diǎn)擊導(dǎo)出硬件資源（不用包含bit流文件），接著launch SDK，進(jìn)入軟件部分編寫。

SDK軟件部分

打開SDK后，新建application project。在system.mss中可以打開相關(guān)參考文檔輔助設(shè)計(jì)?？梢赃x擇qspi的例程進(jìn)行參考設(shè)計(jì)，導(dǎo)入例程模板，根據(jù)提供的模板，主要使用的函數(shù)如下，這里對(duì)他的讀寫測(cè)試進(jìn)行了簡(jiǎn)化，

int QspiFlashPolledExample（XQspiPs *QspiInstancePtr， u16 QspiDeviceId）

{

int Status;

u8 *BufferPtr;

u8 UniqueValue;

int Count;

int Page;

XQspiPs_Config *QspiConfig;

//初始化QSPI

QspiConfig = XQspiPs_LookupConfig（QspiDeviceId）;

XQspiPs_CfgInitialize（QspiInstancePtr， QspiConfig，QspiConfig-》BaseAddress）;

//自測(cè)

Status = XQspiPs_SelfTest（QspiInstancePtr）;

if （Status ！= XST_SUCCESS） {

return XST_FAILURE;

}

//初始化讀寫B(tài)UFFERfor （UniqueValue = UNIQUE_VALUE， Count = 0; Count 《 PAGE_SIZE;

Count++， UniqueValue++） {

WriteBuffer［DATA_OFFSET + Count］ = （u8）（UniqueValue + Test）;

}

memset（ReadBuffer， 0x00， sizeof（ReadBuffer））;

//設(shè)置手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)片選模式

XQspiPs_SetOptions（QspiInstancePtr， XQSPIPS_MANUAL_START_OPTION |

XQSPIPS_FORCE_SSELECT_OPTION |

XQSPIPS_HOLD_B_DRIVE_OPTION）;

//設(shè)置QSPI時(shí)鐘的分頻系數(shù)

XQspiPs_SetClkPrescaler（QspiInstancePtr， XQSPIPS_CLK_PRESCALE_8）;

//片選信號(hào)置為有效

XQspiPs_SetSlaveSelect（QspiInstancePtr）;

//讀FLASH ID

FlashReadID（）;

//使能FLASH Quad模式

FlashQuadEnable（QspiInstancePtr）;

//擦除FLASH

FlashErase（QspiInstancePtr， TEST_ADDRESS， MAX_DATA）;

//向FLASH中寫入數(shù)據(jù)for （Page = 0; Page 《 PAGE_COUNT; Page++） {

FlashWrite（QspiInstancePtr， （Page * PAGE_SIZE） + TEST_ADDRESS，

PAGE_SIZE， WRITE_CMD）;

}

//使用QUAD模式從FLASH中讀出數(shù)據(jù)

FlashRead（QspiInstancePtr， TEST_ADDRESS， MAX_DATA， READ_CMD）;

//對(duì)比寫入FLASH與從FLASH中讀出的數(shù)據(jù)

BufferPtr = &ReadBuffer［DATA_OFFSET］;

for （UniqueValue = UNIQUE_VALUE， Count = 0; Count 《 MAX_DATA;

Count++， UniqueValue++） {

if （BufferPtr［Count］ ！= （u8）（UniqueValue + Test）） {

return XST_FAILURE;

}

}

return XST_SUCCESS;

}

運(yùn)行效果

References

ZYNQ正點(diǎn)原子開發(fā)視頻

UG585

編輯：jq