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SPI Flash基础知识点 （腾讯元宝版本）

news 2025/10/3 14:08:03

好的，作为一名嵌入式软件工程师，深入理解 SPI Flash 的开发至关重要，因为它是嵌入式系统中最常用的存储器件之一。下面我将详细地为你梳理基础知识和关键注意点。

第一部分：SPI Flash 基础知识

1. 什么是 SPI Flash？

SPI Flash 是一种通过 SPI 接口进行通信的非易失性存储器。它结合了 SPI 接口的简单性和 Flash 存储器的断电数据保持特性，常用于存储固件、配置文件、日志数据等。

  • SPI: 串行外设接口，一种全双工、同步的串行通信协议。主从模式，通常需要 4 条线：
    • SCLK: 时钟信号，由主机产生。
    • MOSI: 主设备数据输出，从设备数据输入。
    • MISO: 主设备数据输入，从设备数据输出。
    • CS/SS: 片选信号，由主机控制，用于选择从设备。
    • （可选）WP#: 写保护。
    • （可选）HOLD#: 保持信号，暂停通信而不取消片选。
  • Flash: 闪存，属于 EEPROM 的一种，但擦除单位更大（扇区/块）。
2. 关键特性参数
  • 容量: 通常从 512Kb 到 256Mb 甚至更大。注意单位是 bit，转换为字节要除以 8（例如，64Mbit = 8MB）。
  • 页: 编程的最小单位。通常为 256 字节。一次可以写入一页内的任意字节，但不能跨页写入（除非地址连续）。
  • 扇区: 擦除的最小单位之一。通常为 4KB。擦除后所有 bit 变为 1 (0xFF)。
  • 块: 擦除的更大单位。通常为 64KB。用于快速擦除大块区域。
  • 操作电压: 1.8V 或 3.3V，务必与你的 MCU 电平匹配。
3. 基本操作命令（重中之重）

所有操作都通过发送特定的命令字开始。命令字通常为 8 bit。

命令名称命令字描述注意点
Write Enable0x06在执行任何写操作（编程或擦除）前，必须先发此命令。这是一个易失性的状态位，断电或写失能后恢复。
Write Disable0x04禁止写入。
Read Data0x03从指定地址开始读取数据。最常用的读命令。可以连续读取，地址会自动增加。
Fast Read0x0B快速读取，比普通读更快。需要在命令字和地址后跟一个哑字节，用于内部流水线准备。
Page Program0x02向指定地址的一页内写入数据。只能将 1 写成 0。写入前，目标区域必须已被擦除（全为 0xFF）。不能跨页。
Sector Erase0x20擦除一个 4KB 扇区。擦除后，该扇区所有数据变为 0xFF。
Block Erase0xD8擦除一个 64KB 块。
Chip Erase0xC7 / 0x60擦除整个芯片。非常耗时，谨慎使用！
Read Status Register0x05读取状态寄存器，检查设备是否忙。这是轮询操作是否完成的关键！

状态寄存器详解：
最重要的位是 BUSY/WIP 位。

  • BIT0: WIP。1 表示设备正忙（正在执行编程、擦除或写状态寄存器操作）；0 表示设备空闲。
  • BIT1: WEL。1 表示写使能锁存器已置位（即已执行 Write Enable 命令）；0 表示未使能。

在执行完 Page Program, Sector Erase 等命令后，必须不断读取状态寄存器，直到 WIP 位变为 0，才能进行下一步操作。

第二部分：软件开发流程与注意点

1. 驱动层开发

a) 硬件初始化

  • 配置 MCU 的 SPI 外设：时钟极性、时钟相位、数据位顺序、波特率。
  • 初始化 GPIO：正确配置 CS 引脚为输出，并初始化为高电平（不选中）。

b) 基本收发函数

  • 实现 SPI_Transmit() 和 SPI_Receive() 函数。对于全双工 SPI，收发通常可在一个函数内完成。

c) 核心命令函数封装

// 示例：读取器件ID
uint32_t SPI_FLASH_ReadID(void) {uint32_t ID = 0;CS_LOW(); // 选中器件SPI_Transmit(0x9F); // 读ID命令ID |= (SPI_Transmit(0xFF) << 16); // 发送哑数据，同时接收ID |= (SPI_Transmit(0xFF) << 8);ID |= SPI_Transmit(0xFF);CS_HIGH(); // 取消选中return ID;
}// 示例：等待设备就绪（轮询BUSY位）
void SPI_FLASH_WaitForReady(void) {uint8_t status;do {CS_LOW();SPI_Transmit(0x05); // 读状态寄存器命令status = SPI_Transmit(0xFF); // 发送哑数据，接收状态CS_HIGH();} while ((status & 0x01) == 1); // 检查BIT0 (WIP)
}
2. 应用层操作

a) 擦除操作流程

void SPI_FLASH_EraseSector(uint32_t sectorAddr) {// 1. 等待设备就绪SPI_FLASH_WaitForReady();// 2. 发送写使能命令SPI_FLASH_WriteEnable();// 3. 发送扇区擦除命令和地址CS_LOW();SPI_Transmit(0x20);SPI_Transmit((sectorAddr >> 16) & 0xFF); // 发送24位地址SPI_Transmit((sectorAddr >> 8) & 0xFF);SPI_Transmit(sectorAddr & 0xFF);CS_HIGH();// 4. 等待擦除完成（内部会自动开始，我们只需等待）SPI_FLASH_WaitForReady();
}

b) 写操作流程

void SPI_FLASH_WritePage(uint8_t* pBuffer, uint32_t writeAddr, uint16_t numByteToWrite) {// 1. 检查写入数量是否超出一页范围if (numByteToWrite > 256) return ERROR;// 2. 等待设备就绪SPI_FLASH_WaitForReady();// 3. 发送写使能SPI_FLASH_WriteEnable();// 4. 发送页编程命令和地址，然后发送数据CS_LOW();SPI_Transmit(0x02);SPI_Transmit((writeAddr >> 16) & 0xFF);SPI_Transmit((writeAddr >> 8) & 0xFF);SPI_Transmit(writeAddr & 0xFF);for (uint16_t i = 0; i < numByteToWrite; i++) {SPI_Transmit(pBuffer[i]);}CS_HIGH();// 5. 等待编程完成SPI_FLASH_WaitForReady();
}

注意：如果要写入的数据跨页，必须在第一页写满后，重新调用页编程命令从下一页的起始地址开始写。

c) 读操作流程
相对简单，无需写使能和等待。

void SPI_FLASH_ReadBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t readAddr, uint16_t numByteToRead) {CS_LOW();SPI_Transmit(0x03); // 读数据命令SPI_Transmit((readAddr >> 16) & 0xFF);SPI_Transmit((readAddr >> 8) & 0xFF);SPI_Transmit(readAddr & 0xFF);for (uint16_t i = 0; i < numByteToRead; i++) {pBuffer[i] = SPI_Transmit(0xFF); // 发送哑数据，接收数据}CS_HIGH();
}

第三部分：关键注意点与踩坑指南（非常重要！）

1. 硬件相关
  • 上拉电阻: SPI 总线的 CS、SCLK、MOSI 建议加上拉电阻（如 10K），确保初始状态稳定。
  • 电源去耦: Flash 芯片的 VCC 和 GND 之间必须接一个 100nF 的陶瓷电容，并尽量靠近芯片引脚，以保证电源稳定。
  • 电平匹配: 3.3V 的 Flash 不能直接与 5V 的 MCU 连接，需要电平转换电路。
  • 布线: 高频下，SPI 线应尽量短，以减少信号反射和干扰。
2. 软件时序与协议
  • 写使能是必须的: 任何改变存储内容的操作前，必须先发 0x06 命令。这个状态是易失的，一次写使能只对后续一次编程或擦除操作有效。
  • 耐心等待 BUSY 位清除: 在发送编程、擦除命令后，绝对不能立即进行下一步操作。必须通过轮询状态寄存器的 BUSY 位来等待操作完成。使用延时函数 delay() 是极不推荐的，因为不同型号的 Flash 操作时间有差异，且浪费 CPU 资源。
  • 跨页写入: 这是最常见的错误。如果写入数据的起始地址+长度会跨越页边界，超出部分会从该页的起始地址回绕覆盖，而不是写到下一页。软件必须处理页边界。
  • 先擦后写: Flash 内存的特性是只能将 bit 从 1 改为 0，不能从 0 改为 1。擦除操作是将所有 bit 置 1。因此，在写入数据前，必须确保目标地址所在的扇区/块已经被擦除。尝试在未擦除的区域写入数据会导致数据错误。
3. 寿命与数据安全
  • 擦写次数限制: NOR Flash 的典型擦写次数为 10 万次。频繁擦写同一区域会导致该区域损坏。
    • 对策: 使用磨损均衡算法，将写操作分散到整个 Flash 的不同区域。对于文件系统或日志存储，建议使用现成的中间件如 LittleFS、SPIFFS，它们内置了磨损均衡和坏块管理。
  • 数据损坏: 在写入过程中突然断电，可能导致数据错误或状态机混乱。
    • 对策: 对于关键数据，使用事务机制或备份扇区。例如，先写备份区，验证无误后再设置有效标志。
  • 读干扰: 虽然读操作不会磨损 Flash，但极度频繁地读取某一区域可能影响相邻单元的电荷，导致数据出错（现代 Flash 已较少见）。
    • 对策: 必要时在固件中加入 ECC 校验。
4. 性能优化
  • 使用 Quad SPI: 如果 MCU 和 Flash 都支持，可以启用四线模式，将数据线从 1 条增加到 4 条，极大提升读写速度。
  • 使用 Fast Read: 优先使用 0x0B 命令而非 0x03，并合理设置 MCU SPI 时钟。
  • DMA: 对于大数据量传输，使用 MCU 的 DMA 功能来搬运 SPI 数据，可以解放 CPU。

总结

开发 SPI Flash 驱动，核心是理解其 “命令-地址-数据” 的通信模型和 “先擦后写” 的基本原理。务必牢记两个黄金法则：

  1. 写之前先使能。
  2. 操作之后等忙完。

在实际项目中，建议将底层读写函数封装好，然后基于这些函数构建更高级的功能，如参数存储区或文件系统。仔细阅读你所使用型号的 Datasheet，它是解决一切疑难杂症的终极法宝。

好的，我们进行一次更深入、更全面的探讨。这不仅包括基础知识，还将涵盖高级主题、实战经验和行业最佳实践。

第零部分：核心概念再强化——像工程师一样思考

在深入细节前，务必建立两个核心思维模型：

  1. SPI Flash 是一个“状态机”：它永远不会“忘记”当前在做什么。你的驱动必须通过命令和状态寄存器来管理和跟踪它的状态。最严重的错误就是无视它的状态（比如在忙时发送新命令）。
  2. Flash 物理特性是根本约束：所有软件行为都源于其物理特性：“写”是充电（1→0），“擦除”是放电（全→1）。这导致了必须先擦后写、擦写寿命有限、读干扰等所有关键注意点。

第一部分：硬件层深入解析

1.1 SPI 模式与时钟极性/相位

这是嵌入式工程师最常踩的坑之一。SPI 模式由 CPOL 和 CPHA 决定。

模式CPOLCPHA描述
000时钟空闲为低，数据在第一个时钟边沿（上升沿）采样
101时钟空闲为低，数据在第二个时钟边沿（下降沿）采样
210时钟空闲为高，数据在第一个时钟边沿（下降沿）采样
311时钟空闲为高，数据在第二个时钟边沿（上升沿）采样
  • 注意点：务必查阅 Flash 数据手册，确认它支持哪种模式。绝大多数 SPI Flash 支持 Mode 0 和 Mode 3。你的 MCU SPI 配置必须与 Flash 要求一致，否则通信完全失败。
1.2 高级 SPI 模式：提升性能的关键
  • Dual SPI：将 MISO 和 MOSI 引脚都用作数据输出。命令阶段用标准 SPI，数据阶段可将读取速度提升一倍。相关命令如 0x3B。
  • Quad SPI：使用 4 条数据线进行数据传输。需要额外的 IO 引脚，但能极大提升读写速度。这是高性能应用的标配。相关命令如 0x6B。启用 Quad 模式通常需要先配置状态寄存器中的特定位。
  • QPI 模式：甚至命令和地址也通过 4 线传输，进一步提速。需要发送特定命令进入此模式。
1.3 硬件设计关键注意点
  • PCB 布线：
    • 等长布线：对于高时钟频率（>50MHz），SCK 到各 Flash 的走线应尽量等长，以减少时钟偏斜。
    • 阻抗控制：高频信号线应做阻抗控制。
    • 远离干扰源：SPI 走线应远离晶振、开关电源等噪声源。
  • 电源质量：
    • 去耦电容：除了 100nF 的陶瓷电容，在电源入口处最好并联一个 1-10uF 的钽电容或电解电容，以应对电流突变。
    • 电源纹波：劣质 LDO 或 DCDC 的纹波可能导致 Flash 操作异常，尤其是在写入时。

第二部分：软件协议层深度剖析

2.1 命令序列详解（以 Winbond 为例）

1. 读数据流程优化：

  • 标准读：0x03 + 24-bit addr。最可靠，但速度慢。
  • 快速读：0x0B + 24-bit addr + 8-bit dummy clocks。在 dummy clocks 期间，Flash 内部进行数据预取，从而允许主设备以更高时钟频率读取数据。这是最常用的读命令。
  • 带模式的快速读：0xEB，用于 Quad 模式，dummy cycles 可能更多。

2. 写状态寄存器：

  • 命令 0x01。用于配置写保护、Quad 使能等。
  • 注意：写状态寄存器也是一个“写操作”，需要先 Write Enable，然后等待 WIP 清除。

3. 释放掉电/深度掉电：

  • 命令 0xAB。有些 Flash 有超低功耗的深度掉电模式，唤醒需要特定的时序。
2.2 地址与数据格式
  • 地址：通常是 24 位，可寻址 16MB。对于更大容量（>16MB）的 Flash，采用 32 位地址，命令字也不同（如 0x13 代替 0x12）。
  • 数据：大端序。发送 24 位地址时，先发送最高位：A23-A16, A15-A8, A7-A0。
2.3 软件驱动架构设计

一个健壮的驱动应分为三层：

// 底层硬件抽象层
typedef struct {void (*CsLow)(void);void (*CsHigh)(void);uint8_t (*SpiTransfer)(uint8_t data);void (*DelayMs)(uint32_t ms);
} spi_flash_drv_t;// 中间命令层
static uint8_t SPI_Flash_ReadStatusReg(void) {drv->CsLow();drv->SpiTransfer(CMD_READ_STATUS_REG);uint8_t status = drv->SpiTransfer(0xFF);drv->CsHigh();return status;
}static void SPI_Flash_WriteEnable(void) {drv->CsLow();drv->SpiTransfer(CMD_WRITE_ENABLE);drv->CsHigh();
}// 上层应用接口
int SPI_Flash_Write(uint32_t addr, const uint8_t *data, uint32_t len) {// 参数检查if (addr + len > FLASH_SIZE) return -1;while (len > 0) {// 处理页边界uint32_t page_offset = addr % FLASH_PAGE_SIZE;uint32_t bytes_this_page = FLASH_PAGE_SIZE - page_offset;if (bytes_this_page > len) bytes_this_page = len;// 检查该扇区是否需要擦除（需自行维护擦除状态映射表）if (need_erase(addr, bytes_this_page)) {if (erase_sector_containing(addr) != 0) return -2;}// 页编程SPI_Flash_WaitForReady();SPI_Flash_WriteEnable();drv->CsLow();drv->SpiTransfer(CMD_PAGE_PROGRAM);drv->SpiTransfer((addr >> 16) & 0xFF);drv->SpiTransfer((addr >> 8) & 0xFF);drv->SpiTransfer(addr & 0xFF);for (uint32_t i = 0; i < bytes_this_page; i++) {drv->SpiTransfer(data[i]);}drv->CsHigh();SPI_Flash_WaitForReady();// 更新指针和长度addr += bytes_this_page;data += bytes_this_page;len -= bytes_this_page;}return 0;
}

第三部分：高级主题与实战经验

3.1 磨损均衡与坏块管理

当 Flash 用作文件系统或频繁更新数据时，必须考虑。

  • 磨损均衡：
    • 思想：将写操作平均分布到所有存储单元，避免某些扇区过早达到擦写上限。
    • 实现：通常需要维护一个逻辑地址到物理地址的映射表。每次写入时，选择擦写次数最少的物理块。强烈建议使用成熟的文件系统，如 LittleFS、SPIFFS，它们内置了磨损均衡算法。
  • 坏块管理：
    • 原因：Flash 出厂时就可能有坏块，或在寿命期内产生新坏块。
    • 管理：文件系统或驱动应能识别并跳过坏块。识别方法通常是读取操作后的状态寄存器，或对已写入数据进行 ECC 校验。
3.2 数据可靠性与掉电保护
  • 掉电危险：在页编程或扇区擦除过程中掉电，可能导致：
    1. 数据写入不完整。
    2. 状态机混乱，芯片“死锁”。
  • 保护策略：
    1. 事务设计：关键数据采用“准备-提交”机制。
      • 准备阶段：将数据写入一个临时区域。
      • 提交阶段：写入一个特殊的标志位到另一个安全位置，表示数据有效。
      • 恢复阶段：上电后检查标志位，若有效则将临时数据复制到正式位置。
    2. 写保护引脚：硬件上使用 MCU 的 GPIO 控制 Flash 的 WP# 引脚。在非写操作期间拉低此引脚，硬件级防止误写。
    3. 监控电源：使用 MCU 的电压检测电路，在检测到电压跌落时，立即终止 Flash 操作并置位写保护。
3.3 性能优化技巧
  1. 使用 DMA：对于大数据量读写，配置 SPI 的 DMA 传输，解放 CPU。
  2. 启用 Quad 模式：这是最有效的提速手段。
  3. 缓存与批量操作：尽量减少小的、随机的写操作。在 RAM 中缓存数据，达到一定量后再一次性写入 Flash。
  4. 后台擦除：在系统空闲时，提前擦除一些空闲扇区，这样在需要写入时可以直接进行，避免等待擦除的时间。
3.4 启动加载与 XIP
  • XIP：片内执行。当 Flash 连接到 MCU 的内存映射区域时，CPU 可以像读取内存一样直接读取 Flash 中的代码并执行，无需先加载到 RAM。
  • 条件：需要支持 Memory-Mapped 模式的控制器（如 STM32 的 Quad-SPI 外设）。Flash 本身也需要支持对应的快速读命令。
  • 优势：极大节省 RAM，加速启动。

第四部分：调试与测试指南

4.1 常见问题与排查
问题现象可能原因排查方法
完全无法通信1. 电源问题
2. SPI 模式配置错误
3. CS 引脚控制错误
4. 硬件连接问题		1. 测量电压
2. 用逻辑分析仪抓取 SPI 波形，看时钟和数据是否符合预期模式
3. 检查 CS 引脚时序
能读 ID，但无法写入1. 未发送 Write Enable
2. 写保护生效（状态寄存器/WP#引脚）
3. 目标地址未擦除		1. 检查代码是否在写操作前发送了 0x06
2. 读取状态寄存器，检查 WEL 和 BP 位
3. 先执行擦除操作
写入的数据部分错误1. 跨页写入未处理
2. 时钟频率过高，信号质量差
3. 电源纹波大		1. 检查驱动代码的页边界处理逻辑
2. 降低 SPI 时钟频率，用示波器查看信号完整性
3. 检查电源波形
操作一段时间后失效1. 未正确等待 WIP 位清除
2. 频繁擦写导致局部坏块		1. 在每次操作后加强 WIP 轮询，并加入超时判断
2. 引入磨损均衡机制
4.2 必备工具
  • 逻辑分析仪：如 Saleae，是调试 SPI 协议的神器。可以清晰看到命令、地址、数据的每一位。
  • 示波器：用于检查信号质量和电源纹波。
  • 万用表：检查电源和基本连通性。

总结

成为一名精通 SPI Flash 的嵌入式工程师，需要：

  1. 理解物理本质：从硅的物理特性理解所有约束。
  2. 掌握协议细节：熟练运用命令集和状态机。
  3. 重视硬件基础：良好的硬件设计是稳定运行的基石。
  4. 设计健壮软件：考虑边界条件、错误处理、掉电保护。
  5. 善用高级特性：通过磨损均衡、XIP 等提升产品竞争力。
  6. 熟练使用工具：逻辑分析仪和示波器是延伸的眼睛。

最终，数据手册是你的圣经。不同厂商、不同型号的 Flash 在命令字、dummy cycles 等细节上可能存在差异，开发前务必仔细阅读对应型号的 Datasheet。

将外部 SPI Flash 映射为 GD32 MCU 的可执行内存空间（XIP，eXecute In Place）是一个高级应用。这需要硬件和软件的双重配合。下面我详细说明实现步骤。

硬件要求

1. MCU 要求

必须使用带有 QSPI 内存映射模式的 GD32 型号，例如：

  • GD32F4xx 系列（如 GD32F450、GD32F470）
  • GD32E5xx 系列
  • GD32F3xx 系列的部分型号

检查要点：查看数据手册，确认 MCU 的 QSPI 外设支持 Memory Mapped Mode。

2. 硬件连接

必须使用 QSPI 接口，而不仅仅是标准 SPI：

GD32 MCU ↔ SPI Flash
QSPI_CLK  → CLK
QSPI_CS   → CS#
QSPI_IO0  → DI/IO0 (MOSI)
QSPI_IO1  → DO/IO1 (MISO)  
QSPI_IO2  → WP#/IO2
QSPI_IO3  → HOLD#/IO3

注意：必须连接全部 4 条数据线（IO0-IO3）才能实现内存映射。

软件实现步骤

步骤 1：配置 QSPI 外设

#include "gd32f4xx.h"void QSPI_Configuration(void)
{/* 启用时钟 */rcu_periph_clock_enable(RCU_QSPI);/* 配置 QSPI 引脚 */gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_10, GPIO_PIN_6);  // QSPI_CLKgpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_7);   // QSPI_CSgpio_af_set(GPIOF, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_6);   // QSPI_IO0gpio_af_set(GPIOF, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_7);   // QSPI_IO1gpio_af_set(GPIOF, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_8);   // QSPI_IO2gpio_af_set(GPIOF, GPIO_AF_9, GPIO_PIN_9);   // QSPI_IO3gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_6);gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);// ... 类似配置其他引脚/* QSPI 外设配置 */qspi_parameter_struct qspi_struct;qspi_struct.prescaler = 2;                           // 时钟分频qspi_struct.fifo_threshold = 4;                      // FIFO 阈值qspi_struct.sample_shift = QSPI_SAMPLE_SHIFT_HALF;   // 采样时机qspi_struct.cs_high_time = QSPI_CS_HIGHTIME_2CYCLE;  // CS 高电平时间qspi_init(QSPI, &qspi_struct);
}

步骤 2：初始化 SPI Flash 并进入 Quad 模式

void QSPI_Flash_Init(void)
{/* 1. 标准 SPI 模式初始化 Flash */QSPI_SoftwareMode_Enable();  // 先进入软件模式/* 读取 ID，确认通信正常 */uint8_t id_buf[3];QSPI_Flash_ReadID(id_buf);/* 2. 使能 Quad 模式 */QSPI_Flash_WriteEnable();QSPI_Flash_WriteStatusReg(0x40);  // 设置 Quad 使能位（具体看 Flash 手册）QSPI_Flash_WaitForReady();/* 3. 验证 Quad 模式 */uint8_t status = QSPI_Flash_ReadStatusReg();if((status & 0x40) == 0) {// Quad 模式使能失败，需要处理错误}
}

步骤 3：配置内存映射模式

void QSPI_Enable_MemoryMappedMode(void)
{qspi_command_struct cmd_struct;/* 配置 QSPI 命令 */qspi_command_struct_init(&cmd_struct);cmd_struct.instruction = 0xEB;                    // Quad 快速读命令cmd_struct.address_size = QSPI_ADDRESS_24_BITS;  // 24位地址cmd_struct.instruction_mode = QSPI_INS_MODE_SINGLE;     // 指令单线cmd_struct.address_mode = QSPI_ADDRESS_MODE_SINGLE;     // 地址单线cmd_struct.alt_bytes_mode = QSPI_ALT_BYTES_MODE_NONE;   // 无交替字节cmd_struct.dummy_cycles = 6;                     // 哑周期数（根据 Flash 手册调整）cmd_struct.data_mode = QSPI_DATA_MODE_QUAD;      // 数据阶段使用 4 线cmd_struct.functional_mode = QSPI_FUNC_MODE_MM;  // 关键：内存映射模式/* 应用配置 */qspi_command_config(QSPI, &cmd_struct);/* 使能内存映射模式 */qspi_memory_mapped_mode_enable(QSPI);
}

步骤 4：修改链接脚本（分散加载文件）

这是最关键的一步，告诉链接器将代码段放到外部 Flash 的地址空间。

GD32 的内存映射通常为：

  • 内部 Flash: 0x08000000 - 0x08FFFFFF
  • 内部 SRAM: 0x20000000 - 0x2007FFFF
  • QSPI 内存映射区域: 0x90000000 - 0x9FFFFFFF

修改链接脚本示例（GCC）：

MEMORY
{FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K   /* 内部 Flash */RAM (xrw)   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K   /* 内部 RAM */QSPI (rx)   : ORIGIN = 0x90000000, LENGTH = 8M     /* 外部 QSPI Flash */
}SECTIONS
{/* 中断向量表必须放在内部 Flash 以确保启动速度 */.isr_vector :{. = ALIGN(4);KEEP(*(.isr_vector)). = ALIGN(4);} >FLASH/* 将部分代码段放到外部 QSPI */.qsi_text :{. = ALIGN(4);*qspi_code.o(.text .text.*)     /* 指定目标文件 */*lib_gui.a:(.text .text.*)       /* 图形库等大体积代码 */*(.qspi_text .qspi_text.*)      /* 特殊段名 */. = ALIGN(4);} >QSPI AT>FLASH  /* 在 QSPI 执行，但存储在内部 Flash 用于初始化 *//* 内部 Flash 的文本段 */.text :{. = ALIGN(4);*(.text .text.*). = ALIGN(4);} >FLASH
}

步骤 5：代码分区和初始化

1. 标记需要放在外部 Flash 的函数：

/* 定义特殊段属性 */
#define QSPI_FUNC __attribute__((section(".qspi_text")))/* 被标记的函数将被链接到外部 Flash */
QSPI_FUNC void GUI_DrawBitmap(uint32_t x, uint32_t y, const uint8_t *bitmap) 
{// 图形绘制函数，体积较大// ...
}QSPI_FUNC void DataProcessing_Algorithm(float *input, float *output)
{// 复杂算法函数// ...
}

2. 启动时初始化 QSPI 内存映射：

int main(void)
{/* 硬件初始化 */system_init();QSPI_Configuration();QSPI_Flash_Init();/* 在调用外部 Flash 中的函数前，启用内存映射 */QSPI_Enable_MemoryMappedMode();/* 现在可以安全调用外部 Flash 中的函数 */GUI_DrawBitmap(0, 0, my_bitmap);while(1) {// 主循环}
}

关键注意事项和陷阱

1. 性能优化

  • 启用缓存：GD32 的 Flash 访问通常有缓存机制，确保启用。
  • 指令预取：配置合适的预取缓冲区大小。
  • 时钟速度：QSPI 时钟可以设置较高，但要确保 Flash 支持。

2. 中断延迟

  • 外部 Flash 的读取速度比内部 Flash 慢，可能增加中断响应时间。
  • 关键中断服务函数务必放在内部 Flash。

3. 初始化顺序陷阱

// 错误示例：在启用内存映射前调用外部函数
void function_in_internal_flash(void)
{external_function();  // 错误！此时内存映射还未建立QSPI_Enable_MemoryMappedMode();
}// 正确示例
void function_in_internal_flash(void)  
{QSPI_Enable_MemoryMappedMode();  // 先建立映射external_function();             // 再调用
}

4. 调试技巧

  • 硬故障处理：在 HardFault_Handler 中检查是否因访问未初始化的 QSPI 区域引起。
  • 性能分析：比较函数在内部和外部 Flash 的执行时间。

5. 启动加载器（Bootloader）考虑

如果使用 bootloader，需要确保 bootloader 也能正确初始化 QSPI，或者应用程序自己负责初始化。

验证步骤

  1. 编译检查：查看 map 文件，确认函数被正确分配到 0x90000000 区域。
  2. 硬件测试：单步调试，在调用外部 Flash 函数前后设置断点。
  3. 性能测试：测量函数执行时间，与内部 Flash 对比。

总结

实现 GD32 MCU 的 QSPI 内存映射需要：

  1. 硬件：支持 QSPI 的 MCU + 正确连接
  2. 驱动：正确配置 QSPI 外设和 Flash
  3. 链接：修改链接脚本，合理分配代码段
  4. 初始化：确保在调用外部函数前建立内存映射

这种技术非常适合存储大容量代码（如图形库、文件系统、算法库），可以极大扩展可用存储空间。

http://www.dtcms.com/a/436128.html

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