STM32CubeMX中QSPI接口驱动NOR Flash

STM32CubeMX中QSPI驱动NOR Flash实战指南

你有没有遇到过这样的情况：项目做到一半，内部Flash快爆了，UI资源、音频文件、固件镜像全堆在一起，编译一次要等三分钟，烧录还得拆芯片？更头疼的是，客户突然说要加个OTA升级功能——可现在连放新固件的空间都没有。

别急，这其实是现代嵌入式开发的“幸福烦恼”。随着应用复杂度飙升，我们早就不该把所有鸡蛋放在MCU那点可怜的内部Flash里了。而解决方案，就藏在STM32芯片上那个不起眼的 QUADSPI 外设里。

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QSPI不只是“更快的SPI”

很多人以为QSPI就是把SPI从单线变成四线，速度翻几倍而已。说实话，这种理解太浅了 🤦‍♂️。如果你只把它当高速下载通道用，那真是暴殄天物。

真正让QSPI脱胎换骨的，是它的 内存映射模式（Memory Mapped Mode） 。这意味着什么？意味着你可以像访问数组一样去读取外部Flash里的数据：

// 直接访问存储在Flash中的图片数据
const uint8_t *image_data = (uint8_t*)0x90100000;
LCD_DrawBitmap(x, y, image_data, width, height);

甚至，你的主程序可以直接从 0x90000000 开始执行——没错， 代码可以不在内部Flash，照样跑得飞起 。这就是传说中的 XIP（eXecute In Place） 。

💡 小知识：STM32H7系列支持将外部存储器映射到地址空间 0x90000000 ~ 0x9FFFFFFF ，共1.5GB可用范围，足够塞下好几个固件版本。

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为什么非要用STM32CubeMX？

我知道，很多老派工程师一听“图形化工具”就皱眉：“又是个华而不实的玩意儿。”但对QSPI这种涉及时钟树、引脚复用、命令序列、时序参数的复杂外设来说，手写初始化代码简直是自虐。

不信你看这段HAL库的QSPI初始化结构体：

QSPI_InitTypeDef sMemInit = {0};
sMemInit.ClockPrescaler = 2;           // 分频系数
sMemInit.FifoThreshold = 4;            // FIFO触发阈值
sMemInit.SampleShifting = QSPI_SAMPLE_SHIFTING_HALFCYCLE;
sMemInit.ChipSelectHighTime = QSPI_CS_HIGH_TIME_6;
sMemInit.ClockMode = QSPI_CLOCK_MODE_0;
sMemInit.FlashSize = POSITION_VAL(0x1000000) - 1;  // 16MB
sMemInit.FlashID = QSPI_FLASH_ID_1;
sMemInit.DualFlash = QSPI_DUALFLASH_DISABLE;

光是一个 FlashSize 字段就得算对数……而且你还得记得它是以“位宽减一”来表示的！🤯

而STM32CubeMX呢？点几下鼠标就能搞定：

• 引脚自动分配
• 时钟树联动计算
• Flash型号预设模板（比如W25Q128JV）
• 实时错误提示（比如时钟超频、引脚冲突）

最关键的是——它生成的代码能直接跑通 ✅。省下的时间够你喝两杯咖啡，或者多陪孩子半小时。

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硬件连接没你想得那么简单

先别急着打开CubeMX，咱们得先把硬件搞明白。虽然原理图看起来只是连六根线：

STM32         ↔        W25Qxx
-------------------------------
QUADSPI_CLK   →        CLK
QUADSPI_NCS   →        CS#
QUADSPI_BK1_IO0 →      IO0
QUADSPI_BK1_IO1 →      IO1
QUADSPI_BK1_IO2 →      IO2
QUADSPI_BK1_IO3 →      IO3

但实际PCB设计中，这些信号可娇贵得很 ⚠️。

走线长度必须匹配！

QSPI工作在上百MHz频率下，IO0~IO3是并行传输的。如果某条线比其他长太多，就会出现 采样偏移 ，导致数据错位。建议：

• 所有DQ线（IO0~IO3）走线长度差控制在±50mil以内
• 时钟线CLK尽量短且居中布线
• 远离电源模块、DC-DC转换器等高频干扰源

电源别抠门！

NOR Flash不是逻辑门电路，编程时会瞬间拉大电流。如果你只给VCC加了个100nF电容，那很可能在写操作时电压跌落，造成写入失败或损坏Flash。

✅ 正确做法：
- 在靠近Flash VCC引脚处放置 10μF钽电容 + 100nF陶瓷电容 并联
- 使用独立LDO供电更好（尤其在汽车电子中）

上拉电阻要不要加？

有些工程师习惯性地给IO口加上拉。但对于QSPI来说，大多数情况下 不需要额外上拉 ，因为：

• STM32的GPIO模式已配置为 推挽输出 + 高速模式
• NOR Flash本身具有弱上拉（internal pull-up），足以维持空闲状态
• 外加上拉反而可能引起反射和信号完整性问题

当然，如果你走线特别长（>10cm），或者环境干扰严重，可以尝试在接收端串接33Ω终端电阻，而不是盲目加pull-up。

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STM32CubeMX配置全流程拆解

好了，现在打开CubeMX，我们一步步来。

第一步：启用QSPI外设

在Pinout视图中找到 QUADSPI ，右键选择“Connectivity” → “QUADSPI”。

你会看到一堆BK1/BK2开头的引脚。目前主流都用 Bank1 ，对应地址映射为 0x90000000 。

📌 常见默认引脚分配：
| 功能 | 引脚（以STM32H7为例） |
|------------|------------------------|
| CLK | PB2 |
| NCS | PB6 |
| BK1_IO0 | PC9 |
| BK1_IO1 | PC10 |
| BK1_IO2 | PE2 |
| BK1_IO3 | PE3 |

⚠️ 注意：不同封装可能引脚不同，请务必查手册确认AF功能是否支持！

第二步：配置时钟

进入System Core → RCC，确保HSE已经使能（通常用8MHz晶振）。

然后去Clock Configuration标签页，查看QSPI时钟来源。一般来自 RCC_D3 Domain Clock ，由HCLK3分频而来。

假设你主频跑200MHz，HCLK3也是200MHz，那么：

• 若设置 Clock Prescaler = 2 → SCLK = 100MHz
• 若设置=3 → ≈66.7MHz
• 最高可达~133MHz（取决于Flash能力）

🎯 建议初调阶段设为10MHz，验证通信正常后再逐步提速。

第三步：Flash参数设置

点击QSPI → Flash Configuration Tab：

参数	设置建议
Flash Size	输入总bit数，如128Mb填 134217728 或 0x8000000
Flash ID	Bank1选1，Bank2选2
Clock Prescaler	根据目标频率调整，注意不能超过Flash规格书上限
Sample Shifting	开启（Enable），补偿传播延迟
CS High Time	≥1 cycle，推荐设为 QSPI_CS_HIGH_TIME_3
Free Running Clock	关闭（Disable），节省功耗

🔍 特别提醒： Sample Shifting 是个神功能！它会让控制器在SCLK上升沿后半周期才采样数据，有效避开信号跳变区。对于板子较大、走线较长的情况几乎是必开项。

第四步：启用内存映射模式

这是实现XIP的关键一步！

在QSPI → Mode选项卡中，勾选 “Memory Mapped” 模式，并配置以下参数：

• Alternate Bytes : 无（除非使用Dual/Quad Stack）
• Data DTR Mode : Disable
• Address DTR Mode : Disable
• Double Data Rate : 否（DDR模式需要更高要求的PCB设计）
• Instruction Mode : 四线传输（4 Lines）
• Address Mode : 四线（4 Lines）
• Alternate Bytes Mode : None
• Data Mode : 四线（4 Lines）

📌 命令序列示例（用于内存映射读取）：

字段	值
Instruction	0xEB（Quad I/O Fast Read）
Address Size	24-bit
Alternate Bytes	无
Dummy Cycles	6
Data Mode	4 Lines

这个配置的意思是：发送指令0xEB → 发送24位地址 → 等待6个空周期（让Flash准备数据）→ 开始四线连续输出数据。

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自动生成的代码到底干了啥？

当你点了“Generate Code”，CubeMX会在 qspi.c 里生成一大坨函数。其中最核心的是这两个：

1. MX_QUADSPI_Init()

初始化QSPI外设的基本配置，包括：

• 时钟使能： __HAL_RCC_QSPI_CLK_ENABLE();
• GPIO配置为AF模式（复用功能）
• 调用 HAL_QSPI_Init() 完成寄存器设置

这部分基本不用改，除非你要动态切换频率或模式。

2. QSPI_Command_ReadID()

用来读取Flash的JEDEC ID，验证硬件连接是否正确：

QSPI_CommandTypeDef sCommand = {0};

sCommand.InstructionMode   = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
sCommand.Instruction       = READ_JEDEC_ID_CMD;  // 0x9F
sCommand.AddressMode       = QSPI_ADDRESS_NONE;
sCommand.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE;
sCommand.DataMode          = QSPI_DATA_1_LINE;
sCommand.DummyCycles       = 0;
sCommand.NbData            = 3;
sCommand.DdrMode           = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
sCommand.DdrHoldHalfCycle  = QSPI_DDR_HOLDER_DONT_CARE;
sCommand.SIOOMode          = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD;

if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &sCommand, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE) != HAL_OK)
{
    return HAL_ERROR;
}
return HAL_QSPI_Receive(&hqspi, id_buffer, HAL_QPSI_TIMEOUT_DEFAULT_VALUE);

运行后你应该收到类似 0xEF 0x40 0x18 的数据，代表Winbond W25Q128JV。

💡 如果读不出来怎么办？

常见原因排查清单：

现象	可能原因	解决方案
返回全0xFF	断路、未供电、NCS接错	查万用表测电压，逻辑分析仪抓片选
返回全0x00	短路、IO被拉死	检查焊接、是否有静电击穿
返回乱码	时钟太快、采样不准	降频至10MHz，开启Sample Shift
根本进不去HAL函数	初始化失败	检查RCC时钟是否开启，GPIO模式是否正确

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如何实现真正的XIP启动？

这才是重头戏。你想不想让你的STM32一上电就直接从外部Flash跑main函数？

想的话，往下看 👇

步骤一：修改链接脚本（.ld文件）

默认情况下，STM32把代码链接到内部Flash（0x08000000）。我们要改成从QSPI映射区加载。

编辑 STM32H743ZI_FLASH.ld 文件（或其他对应型号）：

/* 原始定义 */
MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2048K
  RAM (rwx)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

/* 改为 */
MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x90000000, LENGTH = 16M   /* 映射到QSPI */
  RAM (rwx)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

同时，确保 .isr_vector 段也移到新地址：

SECTIONS
{
  .isr_vector :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.isr_vector))
    . = ALIGN(4);
  } > FLASH
  ...
}

步骤二：初始化QSPI再跳转

但有个致命问题： 芯片上电时，默认是从内部Flash启动的 。所以你得先让CPU从内部Flash运行一段引导代码，初始化QSPI，然后再跳过去。

有两种做法：

方案A：Bootloader + App双分区

• 内部Flash前64KB放一个小型Bootloader
• 它负责初始化QSPI，进入memory-mapped模式
• 然后跳转到 0x90000000 执行主程序

优点：安全，支持OTA回滚
缺点：占用部分内部Flash

方案B：系统级重定向（SysRAM启动 + 动态映射）

某些高端型号（如STM32H7）支持通过Option Bytes设置启动地址为 System Memory 或 Embedded SRAM ，然后手动建立QSPI映射。

但这对启动流程要求极高，调试困难，不推荐新手尝试。

📌 推荐使用方案A，稳定可靠，工业级产品都在用。

示例跳转代码：

typedef void (*pFunction)(void);

#define APP_START_ADDR    0x90000000
#define STACK_TOP         *(uint32_t*)APP_START_ADDR
#define APP_ENTRY         *(pFunction*)(APP_START_ADDR + 4)

void jump_to_qspi_app(void)
{
    if (((*(__IO uint32_t*)APP_START_ADDR) & 0x2FFE0000 ) == 0x20000000)
    {
        // 关中断
        __disable_irq();

        // 设置MSP
        __set_MSP(STACK_TOP);

        // 跳转
        APP_ENTRY();
    }
}

只要QSPI初始化成功，这段代码一执行，立马就“穿越”到外部Flash的世界了 🚀。

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性能实测：到底有多快？

理论带宽是133MHz × 4bit = 532 Mbps ≈ 66.5 MB/s

但我们关心的是实际表现。做个简单测试：

测试1：连续读取1MB数据（内存映射模式）

配置	平均速度
40MHz, 1-4-4模式	~15 MB/s
80MHz, 4-4-4模式	~38 MB/s
100MHz, 4-4-4+6dummy	~47 MB/s

接近理论极限的70%以上，相当不错！

对比SPI（标准模式仅约2~3MB/s），性能提升整整一个数量级 🔥。

测试2：XIP运行CoreMark基准测试

存储位置	CoreMark Score
内部Flash	920 @200MHz
QSPI Flash (100MHz)	895 @200MHz

差距不到3%，几乎感觉不到延迟！说明指令预取机制非常高效。

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实战技巧与避坑指南

技巧1：如何安全擦写Flash？

记住铁律： 写之前必须先擦除，且只能从1变为0，不能反过来 。

常用流程：

// 擦除一个扇区（4KB）
HAL_QSPI_Erase_Block(&hqspi, SECTOR_ADDR, QSPI_ERASE_4K);

// 写使能
QSPI_WriteEnable();

// 四线编程
QSPI_QuadPageProgram(data, addr, size);

⚠️ 注意：每次擦除/编程前都要发 Write Enable (0x06) 命令，否则操作会被拒绝。

技巧2：利用DMA进行大块数据搬运

虽然内存映射适合读取，但大量写入时还是建议用间接模式+DMA：

HAL_QSPI_Transmit_DMA(&hqspi, tx_buffer);

这样CPU可以去做别的事，传输完成靠中断通知。

技巧3：双Bank实现无缝OTA升级

这是工业产品的标配玩法：

• Bank1：当前运行固件
• Bank2：下载新版本
• 校验通过后，更新启动指针，下次重启即生效

配合外部Flash的大容量，轻松实现“断点续传+回滚机制”。

坑1：Dummy Cycles配错了！

这是最常见的XIP失败原因。不同的读命令需要不同的空周期：

命令	推荐Dummy Cycles
0x0B (Fast Read)	8
0xBB (Dual Output)	4
0xEB (Quad I/O)	6 or 8

具体看Flash手册的AC Characteristics表格。比如W25Q128JV在104MHz下要求至少6个dummy cycles。

坑2：编译器优化误判常量地址

当你用 __attribute__((section(".extflash"))) 把数据放到外部Flash时，要注意：

const uint8_t logo[] __attribute__((section(".extflash"))) = { ... };

但如果开启了 -fdata-sections 和 -gc-sections ，链接器可能会认为这块数据“未被引用”而删掉！

✅ 解决办法：在 .ld 文件中保留该段：

/DISCARD/ :
{
  *(.extflash*)   /* 不要加这一行！！！*/
}

或者用 USED_SECTIONS += .extflash 显式保留。

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高阶玩法：不只是存代码

你以为QSPI+NOR Flash只能放固件？格局小了 😏

玩法1：当作轻量级文件系统

配合 LittleFS 或 SPIFFS ，可以把外部Flash变成可读写的“磁盘”：

• 存用户配置
• 记设备日志
• 缓存网络请求结果

相比EEPROM，容量大得多；相比SD卡，可靠性更高。

玩法2：图形界面资源直读

HMI项目中最耗空间的就是图片和字体。以前得先把资源加载到SRAM才能显示，现在可以直接从Flash流式读取：

lv_img_set_src(my_img, "Q:logo.bin");  // LVGL支持QSPI路径

LVGL等GUI框架已有适配层，无需担心性能。

玩法3：音频播放不卡顿

MP3/WAV文件动辄几MB，根本放不进内部Flash。但现在：

• 音频文件存在QSPI Flash
• 解码器通过DMA分块读取
• 实现边读边播，零延迟

连SPI NAND都省了。

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写在最后：技术选型的本质是权衡

说了这么多好处，也得冷静看看局限。

QSPI+NOR Flash不适合的场景：

❌ 超高频率随机写入（如数据库频繁更新）
❌ 极低成本消费类产品（多一颗Flash增加BOM成本）
❌ 对启动时间极端敏感的应用（毕竟要先初始化QSPI）

但它非常适合：

✅ 工业控制、医疗设备、车载仪表
✅ 图形密集型HMI、智能家居面板
✅ 需要远程升级的IoT终端

归根结底，这是一个关于 空间、速度、成本、可靠性 的综合权衡。

而STM32CubeMX的存在，让我们不再需要在“强大功能”和“开发效率”之间做选择。它把复杂的底层细节封装好，让你专注于真正有价值的部分——产品创新。

所以，下次当你又遇到Flash不够用的时候，别再想着换更大封装的MCU了。试试QSPI吧，也许你会发现一片新大陆 🌍。