【基础知识】QSPI的命令

QSPI（Quad SPI）的命令集是其实现高速数据传输的核心，通过专用指令可激活多线模式、配置设备参数及执行数据操作。以下是QSPI的主要命令类型、格式及典型应用：

一、QSPI命令的基本特点

1. 兼容SPI

   • QSPI设备通常支持标准SPI命令（如READ、WRITE），可在单线模式下与传统SPI主机通信。
   • 高速场景下使用扩展的QSPI命令集。

2. 多线传输模式

   • 单线模式：使用IO0（MOSI）发送命令/地址，IO1（MISO）接收数据。
   • 双线模式：IO0和IO1同时传输数据，吞吐量翻倍。
   • 四线模式：IO0~IO3全部用于数据传输，速率最高。

3. 命令格式

   • 典型QSPI命令帧包含：

     [命令字节] → [地址字节] → [可选模式字节] → [数据阶段]
     

     • 命令字节：指定操作类型（如读取、写入），始终通过单线传输。
     • 地址字节：指定数据存储位置，可选择单线、双线或四线传输。
     • 数据阶段：根据命令类型，支持不同的传输模式。

二、QSPI典型命令集

以下是QSPI设备常用的命令（以SPI Flash为例）：

1. 读取类命令

命令	缩写	功能	传输模式
Read Data	03h	标准SPI读取（单线）	命令/地址/数据：单线
Fast Read	0Bh	高速读取（带空时钟周期以提高频率）	命令：单线 地址：单线 数据：单线
Dual Output Fast Read	3Bh	双线输出快速读取（数据通过IO0和IO1并行传输）	命令/地址：单线 数据：双线
Dual I/O Fast Read	BBh	双线I/O快速读取（地址和数据均通过双线传输）	命令：单线 地址/数据：双线
Quad Output Fast Read	6Bh	四线输出快速读取（数据通过IO0~IO3并行传输）	命令/地址：单线 数据：四线
Quad I/O Fast Read	EBh	四线I/O快速读取（地址和数据均通过四线传输）	命令：单线 地址/数据：四线

2. 写入类命令

命令	缩写	功能	传输模式
Write Enable	06h	使能写操作（必须先执行此命令）	单线
Page Program	02h	标准SPI页编程（写入数据）	命令/地址/数据：单线
Quad Page Program	32h	四线页编程（高速写入）	命令：单线 地址/数据：四线

3. 配置与状态命令

命令	缩写	功能	传输模式
Read Status Register	05h	读取状态寄存器（如写保护位、忙碌标志）	单线
Write Status Register	01h	写入状态寄存器	单线
Read Configuration Register	35h	读取配置寄存器（如QSPI模式使能位）	单线
Write Configuration Register	01h	写入配置寄存器	单线
Enter QSPI Mode	38h	使能QSPI模式（从标准SPI切换到四线模式）	单线
Exit QSPI Mode	F5h	退出QSPI模式（回到标准SPI）	单线

4. 其他命令

命令	缩写	功能	传输模式
Erase Sector	20h	擦除指定扇区（通常4KB）	单线
Erase Block	D8h	擦除指定块（通常64KB）	单线
Chip Erase	C7h	擦除整个芯片	单线
Read ID	9Fh	读取设备ID（如制造商ID、设备类型）	单线

三、QSPI命令时序示例

以**Quad I/O Fast Read（EBh）**命令为例，说明四线模式下的完整时序：

1. 命令阶段

   • 主机通过IO0发送命令字节EBh（单线传输）。

2. 地址阶段

   • 主机通过IO0~IO3四线并行发送24位地址（通常3字节）。

3. 空周期（Dummy Cycles）

   • 主机发送若干空时钟周期（通常4~8个），让从设备准备数据。

4. 数据阶段

   • 从设备通过IO0~IO3四线并行返回数据，直到主机终止传输。

时序图示例：

[命令]  [地址]  [空周期]  [数据...]
EBh    AAAAAA  DDDDDD    DDDDDD...
(IO0)  (IO0~IO3)         (IO0~IO3)

四、命令使用注意事项

1. 模式切换

   • 部分QSPI设备默认处于标准SPI模式，需先发送Enter QSPI Mode (38h)命令激活四线模式。
   • 退出时需发送Exit QSPI Mode (F5h)回到标准模式。

2. 地址长度

   • 命令中的地址字节数取决于设备容量（如24位或32位地址）。

3. 空周期配置

   • 不同设备的空周期数量可能不同，需参考datasheet设置。

4. 写保护

   • 写入操作前必须先发送Write Enable (06h)命令，否则写操作会被拒绝。

五、应用场景

1. 高速Flash读取

   • 嵌入式系统通过QSPI快速加载固件（如MCU启动时从Flash读取程序）。

2. 图形数据传输

   • 显示屏控制器通过QSPI从Flash读取图像数据，四线模式可满足高分辨率显示需求。

3. 数据缓存

   • 传感器数据通过QSPI快速写入外部缓存芯片，减少数据丢失风险。

六、总结

QSPI命令集通过灵活的单线/多线切换机制，在保持与SPI兼容性的同时，显著提升了数据传输效率。开发时需根据设备特性选择合适的命令，并严格遵循时序要求，以实现最优性能。