通信协议详解（八）：QSPI —— 闪存芯片的“四车道高速公路”

一、QSPI是什么？

一句话秒懂

QSPI就像给SPI协议装上了“涡轮增压器”：从原本的单车道发货升级为四车道并行狂飙，专为高速存储器设计，让数据吞吐量直接翻四倍！

基础概念

• 中文名：四线SPI（Quad SPI）
• 核心特点：
  • 四数据线：IO0-IO3并行传输（标准SPI只有1根数据线）
  • 指令灵活：支持单线/双线/四线模式混合使用
  • 内存映射：外部Flash可映射到CPU地址空间直接访问

---

二、硬件接线：如何铺设“四车道”？

接线规则（速度与引脚的博弈）

• 基础线路：
  • CLK：时钟线（主设备控制节奏）
  • CS：片选线（低电平选中从设备）
  • IO0-IO3：四根双向数据线（既是车道也是收费站）

(图示：主设备通过四根IO线连接Flash芯片，CLK/CS共用)

关键细节

• 工作模式：
  • 1-1-1模式：传统SPI（指令-地址-数据均用IO0）
  • 1-1-4模式：指令用单线，地址和数据用四线
  • 4-4-4模式：全四线狂暴模式（需要芯片支持）
• 时钟速度：可达100MHz+（是标准SPI的5倍）

---

三、数据传输：如何玩转“四线杂技”？

通信流程（四车协同作战）

1. 发送指令阶段：
   • 主设备通过**单线（IO0）**发送操作码（如0x03读取数据）
2. 发送地址阶段：
   • 切换到四线模式，用IO0-IO3并行发送24位地址（节省3/4时间）
3. 接收数据阶段：
   • 四线同时输出数据，每个时钟周期传4位→速度×4！

(图示：单线指令→四线地址→四线数据流)

性能对比（QSPI vs 标准SPI）

操作	标准SPI时钟周期数	QSPI时钟周期数	提速倍数
发送1字节指令	8	8	1×
发送3字节地址	24	6（四线并行）	4×
读取256字节	2048	512	4×

---

四、QSPI的优缺点（真实吐槽版）

✅ 优点

• 速度炸裂：四线并行使吞吐量逼近并行接口，却只用少量引脚
• 兼容性好：向下兼容标准SPI设备
• 内存映射：CPU可直接读取外部Flash，无需搬运数据

❌ 缺点

• 占用引脚多：至少6根线（CLK+CS+IO0-IO3）
• 协议复杂：需处理多种传输模式切换
• 功耗较高：四线同时翻转增加功耗

---

五、实际应用场景

1. 外部Flash扩展（如W25Q128）

• 场景：STM32通过QSPI运行代码（XIP模式）
• 优势：替代并行Flash，节省PCB空间

2. 液晶屏初始化

• 案例：ESP32用QSPI快速加载显存数据到LCD

3. 高速数据采集

• 应用：ADC芯片通过QSPI回传采样数据

---

六、常见问题（Q&A）

Q1：QSPI能同时读写吗？

• 不能！QSPI仍是半双工协议，但四线模式大幅提升单向速度

Q2：如何实现DMA传输？

• 主流MCU支持QSPI+DMA，配置时使能hdma_quadspi即可

Q3：四线模式下CLK需要更快吗？

• 不一定！相同CLK频率下，四线模式吞吐量是单线的4倍

---

总结

QSPI在引脚效率与传输速度之间找到了完美平衡——用少量引脚实现逼近并行接口的性能，成为外部存储器扩展的首选方案。下次当你看到手机1秒加载应用时，别忘了背后可能有这位“四线快枪手”的功劳！

上一篇 通信协议详解（七）：I3C —— 未来传感器的“全能通信王”
下一篇 通信协议详解（九）：SENT协议 —— 汽车传感器的“摩斯电码大师”