SPI 是英語(yǔ) Serial Peripheral interface 的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口，一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，為?PCB?的布局上節(jié)省空間，提供方便，主要應(yīng)用在 EEPROM，Flash，RTC，AD轉(zhuǎn)換，傳感器等設(shè)備上。
　　SPI 的四根信號(hào)線：
　　CS
　　片選信號(hào)線，每個(gè)設(shè)備都占用一個(gè)片選信號(hào)線，當(dāng) CS 信號(hào)線顯低電平時(shí)，表示該設(shè)備被選中，則 SCK，MOSI 和 MISO 信號(hào)有效。每個(gè)設(shè)備都擁有屬于自己的 CS 信號(hào)線，主機(jī)選中設(shè)備時(shí)，會(huì)拉低指定設(shè)備的 CS 線電平。使用 CS 信號(hào)線，可以使多個(gè)設(shè)備共同使用同一份 SCK，MOSI 和 MISO 信號(hào)線，減少引腳數(shù)量，也可以告訴設(shè)備本次訪問(wèn)已結(jié)束，方便下次重新發(fā)起訪問(wèn)請(qǐng)求。
　　SCK
　　時(shí)鐘信號(hào)線，為 SPI 通信過(guò)程中提供時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng) SCK 每次產(chǎn)生上升沿或下降沿時(shí)，MOSI 和 MISO 傳輸一比特?cái)?shù)據(jù)。
　　MOSI
　　主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收信號(hào)線，主機(jī)通過(guò)該信號(hào)線發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)從該信號(hào)線接收到數(shù)據(jù)。
　　MISO
　　主機(jī)接收，從機(jī)發(fā)送信號(hào)線，與 MOSI 相反，這里主機(jī)要接收數(shù)據(jù)，從機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)。兩根串行數(shù)據(jù)信號(hào)線保證了主從機(jī)之間可以全雙工通信。
　　SPI 可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，但與 SPI Flash 通信的時(shí)候反而不需要進(jìn)行全雙工通信：在 Host 不把指令和地址發(fā)送完之前，SPI Flash 不會(huì)知道 Host 要干嘛，自然不會(huì)主動(dòng)向 Host 發(fā)送數(shù)據(jù)；在 SPI Flash 向 Host 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，Host 也沒(méi)有必要發(fā)送任何數(shù)據(jù)，因此，當(dāng) Host 與 SPI Flash 通信時(shí)，總是處于半雙工狀態(tài)，也總有一根數(shù)據(jù)信號(hào)線處于空閑狀態(tài)。如圖 1 所示。

為了把這跟信號(hào)線充分利用起來(lái)，從而發(fā)明了 DSPI 。
　　當(dāng) SPI Flash 準(zhǔn)備給 Host 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果把 MOSI 也作為 SPI Flash 給 Host 發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)信號(hào)線使用，則每個(gè) SCK 時(shí)鐘可以發(fā)送兩比特的數(shù)據(jù)：原來(lái)的MOSI （現(xiàn)在稱之為 D0）發(fā)送第一個(gè)比特，MISO（現(xiàn)在稱之為 D1）發(fā)送第二個(gè)比特，在不增加信號(hào)線的基礎(chǔ)上，一個(gè)時(shí)鐘發(fā)送兩個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，相當(dāng)于傳輸速率提升了一倍！這就叫做 DSPI，D 是 Dual 的意思。如圖 2 所示。

但 DSPI 的速度好像還是有些慢，如果再增加兩條數(shù)據(jù)線（D3 和 D4），讓傳輸速度提升到 DSPI 的兩倍，那么 DSPI 就變成了 QSPI，Q 是 Quad 的縮寫。
　　相比較于 SPI，QSPI 在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，一個(gè) SCK 時(shí)鐘能傳輸 4 比特?cái)?shù)據(jù)，兩個(gè) SCK 時(shí)鐘就能傳輸一字節(jié)的數(shù)據(jù)，性能提升，讓 CPU 直接執(zhí)行存儲(chǔ)在 SPI Flash 的程序變成了可能。如圖 3 所示。

能否再讓數(shù)據(jù)引腳增加一倍，8 根數(shù)據(jù)線豈不是速度更快，那就了解下 FSMC 吧，直接 16 根數(shù)據(jù)信號(hào)線，速度自然變得更快了，但使用 SPI FLash，不就是圖一個(gè)線少嘛。
　　為了方便描述，我們將使用 QSPI 接口連接的 SPI Flash 稱之為 QSPI Flash。一般來(lái)說(shuō)，在與 QSPI Flash 通信時(shí)，并不是全程都是四根數(shù)據(jù)信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)同一時(shí)間只有一根數(shù)據(jù)線在傳輸數(shù)據(jù)的模式可稱為單線模式，兩根數(shù)據(jù)線可稱為雙線模式，四根數(shù)據(jù)線可稱為四線模式。
　　通信過(guò)程
　　在使用 QSPI 與 QSPI Flash 通信的過(guò)程中，可分為五個(gè)階段：
　　指令階段
　　傳輸方向?yàn)?Host 發(fā)送給 QSPI Flash，目的是告訴 QSPI Flash 接下來(lái)要做什么事情，其長(zhǎng)度只能為 8 bit。
　　地址階段
　　傳輸方向?yàn)?Host 發(fā)送給 QSPI Flash，目的是告訴 QSPI Flash 要從哪個(gè)地址開(kāi)始讀或?qū)憯?shù)據(jù)，其長(zhǎng)度可能為 8 bit，16 bit，24 bit 和 32 bit。
　　交替字節(jié)階段：
　　傳輸方向?yàn)?Host 發(fā)送給 QSPI Flash，具體用法需參考所使用的 QSPI Flash 手冊(cè)，傳輸方向由 Host 發(fā)送給 QSPI Flash，其長(zhǎng)度可能為 8 bit，16 bit，24 bit 和 32 bit。
　　空指令周期階段
　　給 QSPI Flash 緩沖時(shí)間準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，等待 n 個(gè) SCK 周期，n 取值范圍 0 ~ 31，具體值需參考所使用 QSPI Flash 手冊(cè)。這段時(shí)間 Host 只產(chǎn)生特定數(shù)量的 SCK 時(shí)鐘，不從數(shù)據(jù)信號(hào)線中讀取或發(fā)送任何內(nèi)容。
　　數(shù)據(jù)階段
　　讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)，長(zhǎng)度不定，由主機(jī)決定發(fā)送或接收多少數(shù)據(jù)。

????????在與 QSPI Flash 通信時(shí)，其通信過(guò)程如圖 4 所示：

CS（NSS）信號(hào)線拉低，表示 QSPI Flash 器件被微控制器選中，然后發(fā)送一個(gè)字節(jié)大小的指令，緊接著發(fā)送地址，然后是交替字節(jié)，空指令周期，最后是數(shù)據(jù)，任意兩個(gè)階段之間都是緊挨著的。
　　一般來(lái)說(shuō)，每次與 QSPI Flash 通信都至少包含指令階段，其余的階段都是可選的，例如讀寫 QSPI Flash 的寄存器值，只需要指令階段和數(shù)據(jù)階段；寫使能和寫失能，只需要指令階段；讀寫數(shù)據(jù)，需要指令，地址，數(shù)據(jù)階段，可能還有空指令周期階段。
　　但有一種情況下，可能會(huì)省略掉指令階段，部分 QSPI Flash 支持僅在第一次讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要指令階段，下一次讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，直接由地址階段開(kāi)始，無(wú)需指令階段。
　　一般 QSPI Flash 還支持一種叫做 QPI 模式的通信方式，當(dāng) QSPI Flash 進(jìn)入 QPI 模式后，所有的階段都只能使用四線模式通信，包括指令階段，通過(guò)這種方式，能夠極大減少指令階段和地址階段花費(fèi)的 SCK 時(shí)鐘數(shù)。
　　通信實(shí)例
　　圖 5 是一款型號(hào)為 FM25Q16A QSPI Flash 的 Fast Read Quad Output 的傳輸波形示意圖：

從圖中可以看到，四線快讀數(shù)據(jù)的過(guò)程中分為四個(gè)步驟：
　　指令階段
　　Host 發(fā)送了一個(gè) 8 bit 長(zhǎng)度的指令 0x6B，使用單線模式。
　　地址階段
　　一段 24bit 長(zhǎng)度的地址，使用單線模式。
　　空指令周期
　　8 bit 的空指令周期。
　　數(shù)據(jù)階段
　　以四線模式連續(xù)讀取存儲(chǔ)在 QSPI Flash 指定位置的數(shù)據(jù)。
　　可以發(fā)現(xiàn)，除了數(shù)據(jù)階段，其它階段均以單線模式工作，數(shù)據(jù)階段則是四線模式，每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取一個(gè)四字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，總共花費(fèi)了 48 個(gè) SCK 時(shí)鐘。
　　通過(guò)內(nèi)存地址訪問(wèn) QSPI Flash
　　前文中了解了如何通過(guò) QSPI 接口訪問(wèn) QSPI Flash，但如果每次通信都要配置 QSPI 外設(shè)的寄存器，再通過(guò) QSPI 的數(shù)據(jù)寄存器獲取數(shù)據(jù)的話，則無(wú)法讓微控制器直接執(zhí)行存儲(chǔ)在 QSPI Flash 中的程序（XIP）。
　　因此，可以將 QSPI Flash 映射到一段指定的內(nèi)存地址空間內(nèi)，例如，指定到 0x90000000 ~ 0x9FFFFFFF 這段 256MB 大小的空間內(nèi)，當(dāng) CPU 訪問(wèn) 0x90000008 這段地址時(shí)，QSPI 模塊將會(huì)讀取 QSPI Flash 中 0x00000008 的數(shù)據(jù)，如果 CPU 繼續(xù)訪問(wèn) 0x9000000C 的數(shù)據(jù)時(shí)，QSPI 模塊將會(huì)讀取 QSPI Flash 中 0x0000000C 的數(shù)據(jù)。對(duì) CPU 而言，訪問(wèn)存儲(chǔ)在 QSPI Flash 中的數(shù)據(jù)，就只是訪問(wèn)某一段地址空間的數(shù)據(jù)。這種讀數(shù)據(jù)的方式稱為 QSPI 的直接讀模式，如圖 6 所示。

值得注意的是，32 位的 CPU 一般會(huì)連續(xù)讀取 4 字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng) CPU 讀取 0x90000008 這段地址時(shí)，實(shí)際讀取了 0x90000008 ~ 0x9000000B 四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，但 QSPI 不會(huì)每讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)，就發(fā)起一次指令階段+地址階段+數(shù)據(jù)階段的過(guò)程，而是以指令階段+地址階段+數(shù)據(jù)階段讀一字節(jié)，再讀一字節(jié)，再讀一字節(jié)……的方式讀數(shù)據(jù)，當(dāng)后面 CPU 繼續(xù)訪問(wèn) 0x0000000C 時(shí)，就會(huì)跳過(guò)指令階段和地址階段，直接繼續(xù)數(shù)據(jù)階段再讀一字節(jié)，再讀一字節(jié)……直到微控制器訪問(wèn)了一個(gè)不連續(xù)的地址時(shí)，QSPI 才會(huì)重新發(fā)起指令階段和地址階段。
　　因?yàn)榈刂愤B續(xù)的訪問(wèn) QSPI Flash，QSPI 無(wú)需再次發(fā)起指令和地址階段，所以其訪問(wèn)速度會(huì)比地址不連續(xù)的訪問(wèn)速度要快。
　　計(jì)算機(jī)程序有一個(gè)特點(diǎn)，叫做時(shí)間局限性和空間局限性：
　　時(shí)間局限性
　　最近被訪問(wèn)的單元，很可能在不久的將來(lái)還要被訪問(wèn)。
　　空間局限性
　　最近被訪問(wèn)的單元，很可能它附近的單元也即將被訪問(wèn)。
　　基于上述的特點(diǎn)，一般支持 QSPI 擴(kuò)展 Flash 的微控制器會(huì)使用 CACHE 來(lái)暫存 QSPI Flash 中的內(nèi)容，當(dāng) CPU 再次訪問(wèn) QSPI Flash 前一段時(shí)間曾訪問(wèn)過(guò)的地址時(shí)，實(shí)際上訪問(wèn)的是暫存在 CACHE 中的數(shù)據(jù)，以此來(lái)減少訪問(wèn) QSPI Flash 所花費(fèi)的時(shí)間，加快程序執(zhí)行的速度。在實(shí)際使用 QSPI Flash 存儲(chǔ)應(yīng)用程序的時(shí)候，效果可能不比片內(nèi) Flash 差多少。
　　直接讀模式能夠讀取 QSPI Flash 中的數(shù)據(jù)，但 QSPI Flash 中的程序不是一直不變的，不管程序員調(diào)試代碼，還是 OTA 升級(jí)，都需要讀數(shù)據(jù)之外的操作，這時(shí)候，如果還使用直接讀模式訪問(wèn) QSPI Flash 的話，就顯得不太合適了：直接模式下，我們只需要配置一次 QSPI 訪問(wèn) QSPI Flash 各階段的配置，就能不斷讀取 QSPI Flash 中的數(shù)據(jù)，雖然方便，但缺少一定的自由度，例如無(wú)法實(shí)現(xiàn)寫操作等過(guò)程。

因此，QSPI 還提供了間接模式，間接模式下，需要指定每一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的每一個(gè)細(xì)節(jié)：如指令階段的參數(shù)是什么，地址階段的具體地址值是多少等，雖然復(fù)雜，但給了我們充分通過(guò) QSPI 訪問(wèn) QSPI Flash 的方法，例如，當(dāng)我們希望寫修改 QSPI Flash 中的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以使用間接寫模式，將數(shù)據(jù)階段的傳輸方向由 QSPI Flash 到 Host 轉(zhuǎn)變?yōu)?Host 到 QSPI Flash，而在直接模式下，數(shù)據(jù)階段只能是由 QSPI Flash 到 Host。
　　

總結(jié)
　　在本章中，介紹了 SPI，DSPI，QSPI的區(qū)別，訪問(wèn) QSPI Flash 的過(guò)程，以及微控制器如何通過(guò) QSPI 的直接讀模式訪問(wèn) QSPI Flash。
　　微控制器通過(guò) QSPI 的直接讀模式訪問(wèn) QSPI Flash，為直接執(zhí)行存儲(chǔ)在 QSPI Flash 中的應(yīng)用程序提供了可能，這也是 2nd Bootloader 的目的所在。