嵌入式下的spi和qspi详解

最新推荐文章于 2025-07-24 21:21:24 发布

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文章标签： linux 驱动开发

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_43780213/article/details/145511367

首先，我们先对SPI和QSPI的基础知识简单说明。SPI是串行外设接口，用于短距离通信，全双工，主从结构，四线制（SCLK、MOSI、MISO、CS）。QSPI是Queued SPI，支持更高的数据传输速率，通常用于连接闪存，通过队列机制和内存映射提高效率。

用户可能在使用ARM芯片，比如STM32系列，需要具体的寄存器配置、代码示例以及SPI和QSPI的区别与应用场景。需要确保内容准确，涵盖初始化步骤、数据传输示例，以及常见问题。

接下来，我们需要考虑ARM架构下的不同厂商（如ST、NXP）可能有不同的库和配置方式，用户可能需要通用方法或特定于某款芯片的例子。例如，STM32使用HAL库，而NXP可能有不同的SDK。为了普适性，可能需要使用标准外设库或伪代码，同时指出不同厂商的差异。

需要详细说明SPI的配置步骤：时钟极性、相位、数据大小、主从模式、速率等。QSPI的配置可能更复杂，涉及内存映射模式、命令序列、四线模式等。可能还需要对比SPI和QSPI的性能差异，比如QSPI如何通过增加数据线和命令队列提高速度。

用户可能需要实际代码示例，比如初始化SPI外设、发送接收数据，以及QSPI的读写操作。同时，需要注意错误处理，比如超时、总线冲突等。此外，硬件连接（引脚配置、上拉电阻等）也是关键点，可能影响通信稳定性。

还要考虑常见的应用场景，比如SPI连接传感器、显示屏，QSPI连接外部Flash存储。需要举出具体例子，如使用SPI读取温湿度传感器数据，使用QSPI存储固件或配置数据。

可能会遇到的问题包括时钟配置错误、从设备选择信号问题、DMA使用、中断处理等。需要解释如何调试这些问题，比如使用逻辑分析仪检查信号波形，确保时序符合设备要求。

最后，总结SPI和QSPI的优缺点，帮助用户根据项目需求选择合适的接口。确保内容结构清晰，分步骤讲解，代码示例正确，并强调关键配置点和注意事项。

在ARM架构中，SPI（Serial Peripheral Interface）和QSPI（Quad SPI）是常用的高速串行通信协议，广泛应用于连接Flash存储器、传感器、显示屏等外设。以下是它们的详细使用实例及配置方法。

一、SPI 基础与使用实例

SPI 基础
接口定义：

SCLK：时钟线（主设备控制）

MOSI：主设备输出，从设备输入

MISO：主设备输入，从设备输出

CS/SS：片选信号（低电平有效）

模式：由时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）决定，共4种模式。

速率：通常可达几十MHz，具体由主设备配置。

ARM 芯片 SPI 配置（以STM32为例）
以下使用STM32 HAL库配置SPI为主机模式，连接SPI Flash（如W25Q128）。

步骤1：初始化SPI外设
c
复制
#include “stm32f4xx_hal.h”

SPI_HandleTypeDef hspi;

void SPI_Init(void) {
hspi.Instance = SPI1;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // CPOL=0
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // CPHA=0 (模式0)
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件控制片选
hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4; // 时钟分频 (系统时钟/4)
hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
}
步骤2：实现片选信号控制
c
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#define SPI_FLASH_CS_PIN GPIO_PIN_4
#define SPI_FLASH_CS_PORT GPIOA

void SPI_CS_Enable(void) {
HAL_GPIO_WritePin(SPI_FLASH_CS_PORT, SPI_FLASH_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

void SPI_CS_Disable(void) {
HAL_GPIO_WritePin(SPI_FLASH_CS_PORT, SPI_FLASH_CS_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
步骤3：SPI数据传输
c
复制
// 发送并接收一个字节
uint8_t SPI_TransmitReceive(uint8_t data) {
uint8_t rx_data;
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, &data, &rx_data, 1, 1000); // 超时1秒
return rx_data;
}

// 读取Flash ID（示例：W25Q128的ID为0xEF4018）
uint32_t SPI_Flash_ReadID(void) {
uint8_t cmd = 0x9F; // 读ID命令
uint8_t id[3];
SPI_CS_Enable();
HAL_SPI_Transmit(&hspi, &cmd, 1, 1000);
HAL_SPI_Receive(&hspi, id, 3, 1000);
SPI_CS_Disable();
return (id[0] << 16) | (id[1] << 8) | id[2];
}
3. 关键注意事项
时序匹配：确保SPI模式（CPOL/CPHA）与从设备一致。

片选信号：需在传输前后手动控制CS引脚。

DMA优化：大数据传输时可使用DMA减少CPU占用。

中断处理：通过中断或轮询方式检查传输完成。

二、QSPI 基础与使用实例

QSPI 基础
特点：

四线模式：DQ0-DQ3（数据线），支持单/双/四线传输。

内存映射模式：将外部Flash映射到CPU地址空间，直接通过指针访问。

命令队列：支持多命令自动执行，提升效率。

适用场景：高速Flash（如Nor Flash）、大容量存储。

ARM 芯片 QSPI 配置（以STM32为例）
以连接QSPI Flash（如MX25L51245G）为例。

步骤1：QSPI初始化
c
复制
#include “stm32f7xx_hal.h”

QSPI_HandleTypeDef hqspi;

void QSPI_Init(void) {
hqspi.Instance = QUADSPI;
hqspi.Init.ClockPrescaler = 2; // 时钟分频（系统时钟/2）
hqspi.Init.FifoThreshold = 4;
hqspi.Init.SampleShifting = QSPI_SAMPLE_SHIFTING_HALFCYCLE;
hqspi.Init.FlashSize = 23; // Flash容量为2^23 bytes（64MB）
hqspi.Init.ChipSelectHighTime = QSPI_CS_HIGH_TIME_2_CYCLE;
hqspi.Init.ClockMode = QSPI_CLOCK_MODE_0; // CPOL=0, CPHA=0
if (HAL_QSPI_Init(&hqspi) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
}
步骤2：配置Flash的命令序列
c
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// 发送读命令（四线模式）
uint8_t QSPI_ReadData(uint32_t address, uint8_t *buffer, uint32_t size) {
QSPI_CommandTypeDef cmd;
cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
cmd.Instruction = 0xEB; // Fast Read Quad I/O命令
cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;
cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;
cmd.Address = address;
cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;
cmd.DummyCycles = 6; // 根据Flash手册设置
cmd.NbData = size;
cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
cmd.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;

if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 1000) != HAL_OK) {
return HAL_ERROR;
}
if (HAL_QSPI_Receive(&hqspi, buffer, 1000) != HAL_OK) {
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}
步骤3：内存映射模式访问
c
复制
// 启用内存映射模式后，直接通过指针读取数据
void QSPI_Enable_MemoryMapped(void) {
QSPI_CommandTypeDef cmd;
cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
cmd.Instruction = 0xEB; // Fast Read Quad I/O命令
cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;
cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;
cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;
cmd.DummyCycles = 6;
cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
cmd.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;

HAL_QSPI_MemoryMapped(&hqspi, &cmd);
}

// 直接访问Flash数据
uint32_t flash_base_addr = 0x90000000; // QSPI映射的起始地址
uint32_t data = (volatile uint32_t)(flash_base_addr + 0x1000); // 读取0x1000地址的数据
3. QSPI 关键注意事项
四线模式支持：确保Flash支持QSPI协议，并正确配置DQ0-DQ3引脚。

时序配置：Dummy Cycles需根据Flash手册设置（通常6-10个周期）。

内存映射限制：写入操作仍需通过命令模式完成。

性能优化：使用DMA或命令队列提升吞吐量。

三、SPI 与 QSPI 对比
特性 SPI QSPI
数据线数量 1-2条（单工/半双工） 4条（全双工）
最大速率通常≤50MHz 可达100MHz+
内存映射不支持支持，直接访问外部Flash
适用场景低速传感器、EEPROM 高速Flash、大容量存储
配置复杂度简单复杂（需配置命令序列、Dummy周期）
四、常见问题与调试技巧