浅谈Zynq Qspi控制器的三种模式

1 Zynq Qspi控制器

Zynq Qspi控制器支持三种模式：I/O模式、线性地址模式和传统SPI模式，其中线性地址模式双片选支持最大的线性地址空间为32MB，可通过PS DMA读取。

1.1 线性地址模式

线性地址模式只可从Qspi Flash中读数。在配置QSPI BOOT时，BOOT ROM工作在线性地址模式，且访问时钟为ARM接入的晶振时钟，因此在选用晶振时频率不能大于Flash的最高访问时钟频率。

线性地址模式下IO可以配置为单片选4bit接口、双片选8bit并行接口和双片选stacked 接口，单片器件时必须接到QSPI0上。单片QSPI Flash线性地址映射空间为0xFC00_0000~0xFCFF_FFFF，若采用两片，必须是同一生产厂家，保证协议相同，在配置为双片选8bit并行接口时，两片Flash必须要是同样容量同一厂家器件，保证访问完全同步，寻址空间为0xFC00_0000~0xFDFF_FFFF。

配置为双片选stacked 接口时，容量可以不同，但必须是相同协议的器件。但第一片器件建议使用128Mb器件，这样不会存在地址空区。线性地址模式的读操作极为简单，在确保TxFIFO和RxFIFO为空的情况下设置qspi.Config_reg［Man_start_en］和qspi.Config_reg［PCS］为0，qspi.LQSPI_CFG.［LQ_MODE］为1即可。

1.2 IO模式

在IO模式下，访问QSPI Flash的命令、地址和数据都根据SPI Flash数据手册的规定由用户软件组织写到FIFO中，控制器负责将其串行化后从总线发出。在IO模式下，可选择自动和手动两种操作模式，手动模式下又有自动片选和手动片选两种模式。自动模式由发数据转为收数据时存在一定局限，因此在实际使用中多为手动模式。

QSPI控制器提供了四个可将数据写到FIFO的TXD寄存器，如下表1所示。

表1 TXD寄存器

这样就提供了丰富的选择，无论是按字写、按字节、按双字节三字节都可以，但需要注意的是在不同寄存器间切换时需要等待FIFO已经为空状态。TxFIFO和RxFIFO使用同一个门时钟，因此对于每一个字节，包括命令和地址，每从TxFIFO取出一个字节，一个自己的数据也会写入到RxFIFO中。

为了从SPI Flash读数据，软件除了写入相关的命令、地址、模式、dummy等外，还必须向TxFIFO写和读数据个数等额的Dummy数据，这样才会有控制器写RxFIFO的时钟。

需要特别注意的是，在IO模式下，控制器自动识别用户指令，在控制器使能，且片选有效的情况下写入FIFO的第一条指令被控制器认为是命令，命令总是通过数据线D0发出，命令+数据最长为4字节，也就是说在发出读写命令时，有效地址位总是3字节，只能访问16MB地址空间。

控制器自动识别含义的命令如表2所示。

表2 控制器自动识别含义的命令

无论是线性地址模式还是IO模式访问QSPI，控制器均只支持表2所示的命令并自动切换控制器工作模式。在表2所列命令之外的，控制器均默认通过D0发出和接收。

2 QSPI Flash选择

Zynq Qspi Flash控制器并不支持所有的Qspi Flash器件，因此在选择Qspi Flash时必须满足：

① 支持QOR命令：BootRom默认方式；

② 支持3字节地址模式：默认最大支持16MB，超出16MB部分通过地址寄存器设置后仍可通过3字节地址模式访问的。

不支持Qspi Flash器件见UG585 12.2.6小节的描述。

2.1 QSPI Flash操作实例

以镁光的N25Q512 Qspi Flash为例，简要说明要点：

N25Q512 QspiFlash支持Extended、Dual和Quad三种SPI协议模式，默认为Extended模式，默认模式即和Zynq QSPI 控制器访问协议匹配。

N25Q512 QspiFlash共512Mb的密度，分成4个BANK，每个BANK密度为16MB，可以通过Extended Address Register或者切换到4字节地址模式来对16MB以上的空间进行访问。因为Zynq Qspi Flash仅支持3字节地址模式，因此访问高地址空间时，通过切换Extended Address Register来实现。通过该方式存在一定的风险，那就是BootRom只能访问低16MB空间，为避免镜像写到高地址空间去，在每次用Xilinx工具烧写Flash前一定要重新断电重启，使Flash的Extended AddressRegister恢复到默认状态。

N25Q512 QspiFlash在Erase、Program和访问内部寄存器前一定要先发出写使能命令（06H）；Erase、Program命令发出后一定要读FlagStatus寄存器。

N25Q512 QspiFlash，擦除可以是子页擦除（4KB）、页擦除（64KB）和Die擦除（32MB）。一页大小为256B，因此每个Program命令只能写256字节的数据。

3 作为BOOT器件的考虑

在使用Qspi Flash需要注意：

① BootROM只能访问低16M（单SS）或低32M（双SS），因此镜像必须存储下可访问空间内；

② 单SS时，启动器件必须挂在QSPI控制0上；

③ 双SS并行8bit模式时BootROM的搜索步长是64KB，其模式为32KB，因此为减少搜索时间，启动镜像最好从地址0开始。