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SPI高级特性分析

目录

• 1. SPI基础回顾
  • 1.1 SPI通信基本原理
  • 1.2 SPI时序与模式
  • 1.3 SPI主从交互机制
• 2. 高速SPI变种
  • 2.1 DSPI（双线SPI）
  • 2.2 QSPI（四线SPI）
  • 2.3 性能对比
• 3. QSPI内存映射模式
  • 3.1 工作原理
  • 3.2 实现机制
  • 3.3 性能优化技巧
• 4. SPI闪存下载算法
  • 4.1 标准SPI下载算法
  • 4.2 XIP（Execute In Place）
  • 4.3 基于标准SPI的代码执行
  • 4.4 校验与安全机制
• 5. 高级应用案例
  • 5.1 嵌入式系统启动加速
  • 5.2 资源受限设备的内存扩展
• 6. 总结与展望

1. SPI基础回顾

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，由摩托罗拉公司开发，广泛应用于嵌入式系统中的短距离通信。标准SPI接口包含四条信号线：

• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备提供
• MOSI（Master Out Slave In）：主设备数据输出，从设备数据输入
• MISO（Master In Slave Out）：主设备数据输入，从设备数据输出
• CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，用于选择特定从设备

标准SPI的局限性在于其传输效率，每个时钟周期仅能传输1位数据。随着处理器速度提升和存储需求增长，标准SPI已难以满足高速数据传输需求，促使了DSPI和QSPI等高速变种的出现。

1.1 SPI通信基本原理

SPI是一种全双工通信协议，采用主从架构，具有如下特性：

1. 同步通信：数据传输与时钟信号同步，确保数据稳定性
2. 主设备控制：主设备生成时钟信号并控制CS线，从设备不能主动发起通信
3. 全双工传输：MOSI和MISO两条数据线允许同时发送和接收数据
4. 多从设备支持：通过多条CS线可连接多个从设备

基本通信流程：

1. 主设备拉低特定从设备的CS线，选择通信对象
2. 主设备通过SCLK提供时钟信号
3. 数据通过MOSI线从主设备传输到从设备
4. 同时，数据通过MISO线从从设备传输到主设备
5. 通信结束后，主设备拉高CS线，释放从设备

典型的SPI传输时序：

CS   |‾‾‾‾‾‾|________________________________|‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
SCLK |‾‾‾‾‾‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
MOSI |‾‾‾‾‾‾|X|D7|D6|D5|D4|D3|D2|D1|D0|X|‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
MISO |‾‾‾‾‾‾|X|R7|R6|R5|R4|R3|R2|R1|R0|X|‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾

1.2 SPI时序与模式

SPI协议定义了四种工作模式，由两个参数决定：

• CPOL（时钟极性）：空闲时时钟电平的状态（0=低电平，1=高电平）
• CPHA（时钟相位）：数据在时钟的哪个边沿采样（0=第一边沿，1=第二边沿）

这形成了四种标准模式：

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟	数据采样
0	0	0	低电平	上升沿
1	0	1	低电平	下降沿
2	1	0	高电平	下降沿
3	1	1	高电平	上升沿

模式选择需要与从设备要求匹配，不同设备可能要求不同模式，例如：

• 大多数SPI闪存使用模式0或模式3
• 某些传感器可能使用模式1或模式2

时序图示例（模式0, CPOL=0, CPHA=0）：

         数据采样点   数据采样点   数据采样点↓           ↓           ↓
SCLK  ___|‾‾‾|___|‾‾‾|___|‾‾‾|___|‾‾‾|___
MOSI  ___X---X---X---X---X---X---X---X___D7    D6    D5    D4

时序图示例（模式3, CPOL=1, CPHA=1）：

       数据采样点   数据采样点   数据采样点↓           ↓           ↓
SCLK  ‾‾‾|___|‾‾‾|___|‾‾‾|___|‾‾‾|___|‾‾‾
MOSI  ___X---X---X---X---X---X---X---X___D7    D6    D5    D4

1.3 SPI主从交互机制

SPI主从设备之间的通信通常遵循特定的命令-响应模式，特别是在与存储器、传感器等设备通信时：

命令格式:

1. 指令字节：确定操作类型（读、写、擦除等）
2. 地址字节：指定操作目标位置（对于存储设备）
3. 数据字节：需要写入的数据或读取的结果

主设备发起通信示例：

void spi_transfer(uint8_t *tx_data, uint8_t *rx_data, uint16_t len) {// 激活从设备GPIO_ResetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN);// 数据交换for(uint16_t i = 0; i < len; i++) {// 发送一个字节SPI_SendData(SPI_PORT, tx_data[i]);// 等待传输完成while(SPI_GetFlagStatus(SPI_PORT, SPI_FLAG_TXE) == RESET);while(SPI_GetFlagStatus(SPI_PORT, SPI_FLAG_RXNE) == RESET);// 接收一个字节rx_data[i] = SPI_ReceiveData(SPI_PORT);}// 释放从设备GPIO_SetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN);
}

从设备响应机制：

• 主动型从设备（如MCU）：在每个时钟周期准备好要发送的数据
• 被动型从设备（如外设芯片）：内部状态机处理接收的命令并准备响应

多从设备寻址：

// 选择从设备1
void select_slave1(void) {GPIO_SetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN2);   // 确保其他设备不活跃GPIO_SetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN3);GPIO_ResetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN1); // 激活设备1
}// 选择从设备2
void select_slave2(void) {GPIO_SetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN1);   // 确保其他设备不活跃GPIO_SetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN3);GPIO_ResetBits(SPI_CS_PORT, SPI_CS_PIN2); // 激活设备2
}

主设备通信效率优化：

• 使用DMA减少CPU干预
• 利用硬件CS控制减少软件开销
• 优化时钟频率设置，平衡速度和可靠性

2. 高速SPI变种

2.1 DSPI（双线SPI）

DSPI通过双倍数据线提高了传输效率，每个时钟周期传输2位数据。

技术特点：

• 保留标准SPI的SCLK和CS线
• 将MOSI和MISO改为双向数据线IO0和IO1
• 工作模式包括：
  • 标准SPI模式：向后兼容
  • 双线读取模式：指令以单线方式发送，数据以双线方式读取
  • 双线写入模式：指令和数据均以双线方式传输

时序示例：

[标准SPI模式]
CS   |‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾|
SCLK |_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|
IO0  |CMD  |ADDR |DATA0|DATA1|DATA2|DATA3|DATA4|DATA5|
IO1  |-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|[双线读取模式]
CS   |‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾|
SCLK |_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|
IO0  |CMD  |ADDR |D0(0)|D1(0)|D2(0)|D3(0)|D4(0)|D5(0)|
IO1  |-----|-----|D0(1)|D1(1)|D2(1)|D3(1)|D4(1)|D5(1)|

其中D0(0)表示Data0的第0位，D0(1)表示Data0的第1位，实现了同一时钟下传输两位数据。

2.2 QSPI（四线SPI）

QSPI将数据线扩展到四条，在每个时钟周期可以传输4位数据，理论上达到标准SPI四倍的吞吐量。

技术特点：

• 保留标准SPI的SCLK和CS线
• 使用四条双向数据线：IO0、IO1、IO2和IO3
• 工作模式包括：
  • 标准模式：兼容标准SPI
  • 双线模式：兼容DSPI
  • 四线模式：全速数据传输，每个时钟周期传输4位数据

时序示例：

[四线模式]
CS   |‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾|
SCLK |_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|
IO0  |CMD  |ADDR |D0(0)|D1(0)|D2(0)|D3(0)|D4(0)|D5(0)|
IO1  |-----|-----|D0(1)|D1(1)|D2(1)|D3(1)|D4(1)|D5(1)|
IO2  |-----|-----|D0(2)|D1(2)|D2(2)|D3(2)|D4(2)|D5(2)|
IO3  |-----|-----|D0(3)|D1(3)|D2(3)|D3(3)|D4(3)|D5(3)|

QSPI指令格式：
典型的QSPI闪存指令包含四个阶段：

1. 指令阶段：发送操作码（通常是8位）
2. 地址阶段：发送地址（24位或32位）
3. 等待阶段：可选，某些操作需要额外延时
4. 数据阶段：读取或写入数据

2.3 性能对比

参数	标准SPI	DSPI	QSPI
数据线数量	2 (MOSI+MISO)	2 (IO0+IO1)	4 (IO0~IO3)
每周期传输位数	1	2	4
相对带宽	1x	2x	4x
最高时钟频率*	50MHz	50MHz	50MHz
理论最大吞吐量*	50Mbps	100Mbps	200Mbps
复杂度	低	中	高

*注：实际最高时钟频率取决于控制器和外设能力，上述数值仅作参考比较

3. QSPI内存映射模式

3.1 工作原理

QSPI内存映射是QSPI最强大的特性之一，允许处理器直接从SPI闪存中执行代码或读取数据，无需先将内容加载到RAM中。这种模式通常称为XIP（Execute In Place，原地执行）。

基本原理：

• QSPI控制器将闪存的内容映射到处理器的地址空间
• 处理器使用普通内存访问指令（如LDR、STR）访问闪存内容
• QSPI控制器自动将内存访问转换为SPI闪存命令

映射过程：

1. 处理器发出内存读取请求（例如读取地址0x90000000）
2. QSPI控制器截获该请求，识别为映射区域内的访问
3. 控制器计算闪存中的实际物理地址
4. 控制器向闪存发送读取命令（通常是快速读取命令0xEB）
5. 闪存返回数据，控制器将数据传送回处理器

3.2 实现机制

硬件支持：
QSPI内存映射模式需要硬件级别的支持，包括：

1. 地址转换单元：

   • 负责将CPU地址空间映射到闪存物理地址
   • 通常支持内存窗口设置，允许将闪存的不同部分映射到不同的地址空间

2. 指令缓存控制：

   • 当CPU执行从闪存映射区域获取的指令时，控制器需要确保指令正确获取
   • 许多实现包含预取缓冲区，减少延迟

3. 读取指令配置：

   • 可配置QSPI控制器使用的读取指令（通常为0xEB - 四线快速读取）
   • 配置指令格式、地址宽度和等待周期

内存映射配置示例（STM32H7系列）：

// 配置QSPI内存映射模式
QSPI_MemoryMappedTypeDef memConfig;
memConfig.TimeOutActivation = QSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE;
memConfig.TimeOutPeriod = 0;// 配置QSPI命令
QSPI_CommandTypeDef cmdConfig;
cmdConfig.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;
cmdConfig.Instruction = 0xEB;  // 四线快速读取命令
cmdConfig.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;
cmdConfig.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;
cmdConfig.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE;
cmdConfig.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;
cmdConfig.DummyCycles = 6;  // 厂商推荐的等待周期
cmdConfig.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE;
cmdConfig.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;
cmdConfig.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD;// 启用内存映射模式
HAL_QSPI_MemoryMapped(&hqspi, &cmdConfig, &memConfig);

3.3 性能优化技巧

1. 缓存优化：

• 配置处理器缓存以最佳匹配QSPI访问模式
• 考虑使用预取缓冲区减少延迟
• 对于频繁访问的数据，考虑预加载到RAM

2. 读取命令选择：

• 选择最适合应用的读取命令（权衡速度和兼容性）
• 常用命令对比：

命令码	描述	速度	兼容性
0x03	标准读取	低	高
0x3B	双输出快速读取	中	中高
0xEB	四输出快速读取	高	中
0xED	四输出DDR快速读取	最高	低

3. 等待周期（Dummy Cycles）优化：

• 等待周期是读取命令和数据传输之间的延迟时钟周期
• 周期过多会导致不必要的延迟，过少会导致数据不可靠
• 根据闪存芯片规格和时钟频率优化等待周期

4. 时钟频率调整：

• 找到QSPI控制器和闪存芯片都支持的最高稳定频率
• 考虑系统电源和温度对稳定性的影响

5. DDR（双数据率）模式：
在支持的系统上，启用DDR模式可进一步提高吞吐量：

cmdConfig.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_ENABLE;
cmdConfig.DummyCycles = 8;  // DDR模式通常需要更多等待周期

4. SPI闪存下载算法

4.1 标准SPI下载算法

标准SPI下载算法是指通过基本SPI接口将代码或数据写入SPI闪存的过程。与QSPI下载相比，标准SPI下载速度较慢，但兼容性更好，适用于更广泛的设备。

标准SPI闪存读写特性：

• 单线数据传输（每周期1位）
• 简单的命令结构
• 广泛的设备兼容性
• 较低的硬件要求

典型的SPI闪存读写指令：

指令	操作码	描述
读数据	0x03	从指定地址读取数据
页编程	0x02	向指定地址写入数据（最多一页）
扇区擦除	0x20	擦除指定的4KB扇区
块擦除	0x52/0xD8	擦除32KB/64KB数据块
芯片擦除	0xC7/0x60	擦除整个芯片
读状态寄存器	0x05	读取闪存状态寄存器
写状态寄存器	0x01	写入闪存状态寄存器
写使能	0x06	启用写操作
写禁止	0x04	禁用写操作

标准SPI下载算法实现：

1. 初始化SPI接口：

void spi_flash_init(void) {// 配置SPI控制器SPI_InitTypeDef SPI_Config;SPI_Config.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_Config.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;SPI_Config.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;SPI_Config.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;       // 模式0SPI_Config.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;SPI_Config.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;SPI_Config.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; // 根据系统频率调整SPI_Config.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;SPI_Config.SPI_CRCPolynomial = 7;SPI_Init(SPI1, &SPI_Config);// 启用SPISPI_Cmd(SPI1, ENABLE);// 初始化CS引脚（高电平）GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);
}

2. 读取闪存ID和状态：

uint32_t spi_flash_read_id(void) {uint8_t tx_buffer[4] = {0x9F, 0, 0, 0}; // JEDEC ID命令uint8_t rx_buffer[4] = {0};// 传输数据GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN); // 激活CSspi_transfer(tx_buffer, rx_buffer, 4);GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);   // 释放CSreturn (rx_buffer[1] << 16) | (rx_buffer[2] << 8) | rx_buffer[3];
}uint8_t spi_flash_read_status(void) {uint8_t tx_buffer[2] = {0x05, 0}; // 读状态寄存器命令uint8_t rx_buffer[2] = {0};GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);spi_transfer(tx_buffer, rx_buffer, 2);GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);return rx_buffer[1];
}

3. 写使能和等待操作完成：

void spi_flash_write_enable(void) {uint8_t tx_buffer[1] = {0x06}; // 写使能命令uint8_t rx_buffer[1] = {0};GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);spi_transfer(tx_buffer, rx_buffer, 1);GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);
}void spi_flash_wait_busy(void) {// 等待WIP（Write In Progress）位清零while((spi_flash_read_status() & 0x01) == 0x01);
}

4. 擦除操作：

void spi_flash_sector_erase(uint32_t address) {uint8_t tx_buffer[4] = {0x20,                   // 扇区擦除命令(address >> 16) & 0xFF, // 地址高字节(address >> 8) & 0xFF,  // 地址中字节address & 0xFF          // 地址低字节};uint8_t rx_buffer[4] = {0};spi_flash_write_enable();   // 必须先写使能GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);spi_transfer(tx_buffer, rx_buffer, 4);GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);spi_flash_wait_busy();      // 等待擦除完成
}

5. 页编程（写入数据）：

void spi_flash_page_program(uint32_t address, uint8_t* data, uint16_t length) {// 检查长度不超过页大小（一般为256字节）if(length > 256) length = 256;// 准备命令和地址uint8_t header[4] = {0x02,                   // 页编程命令(address >> 16) & 0xFF, // 地址高字节(address >> 8) & 0xFF,  // 地址中字节address & 0xFF          // 地址低字节};spi_flash_write_enable();   // 必须先写使能// 发送命令和地址GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);for(int i = 0; i < 4; i++) {spi_transfer_byte(header[i]);}// 发送数据for(int i = 0; i < length; i++) {spi_transfer_byte(data[i]);}GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);spi_flash_wait_busy();      // 等待编程完成
}

6. 读取数据：

void spi_flash_read_data(uint32_t address, uint8_t* buffer, uint32_t length) {// 准备命令和地址uint8_t header[4] = {0x03,                   // 读数据命令(address >> 16) & 0xFF, // 地址高字节(address >> 8) & 0xFF,  // 地址中字节address & 0xFF          // 地址低字节};// 发送命令和地址GPIO_ResetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);for(int i = 0; i < 4; i++) {spi_transfer_byte(header[i]);}// 读取数据for(int i = 0; i < length; i++) {buffer[i] = spi_transfer_byte(0xFF); // 发送虚拟字节以接收数据}GPIO_SetBits(FLASH_CS_PORT, FLASH_CS_PIN);
}

7. 完整的下载流程：

bool spi_flash_download_firmware(uint32_t address, uint8_t* firmware, uint32_t size) {uint32_t current_addr = address;uint32_t remaining = size;uint32_t sector_addr;uint16_t chunk_size;// 按扇区边界对齐地址sector_addr = current_addr & ~0xFFF; // 4KB对齐// 擦除所需的所有扇区while(sector_addr < current_addr + size) {printf("擦除扇区: 0x%08X\r\n", sector_addr);spi_flash_sector_erase(sector_addr);sector_addr += 4096; // 下一个扇区}// 按页编程固件while(remaining > 0) {// 确定当前页要编程的字节数（不超过256）chunk_size = (remaining > 256) ? 256 : remaining;// 确保不跨页边界if((current_addr & 0xFF) + chunk_size > 256) {chunk_size = 256 - (current_addr & 0xFF);}printf("编程地址: 0x%08X, 大小: %d\r\n", current_addr, chunk_size);spi_flash_page_program(current_addr, firmware, chunk_size);// 验证写入的数据uint8_t verify_buffer[256];spi_flash_read_data(current_addr, verify_buffer, chunk_size);if(memcmp(firmware, verify_buffer, chunk_size) != 0) {printf("验证失败: 地址 0x%08X\r\n", current_addr);return false;}// 更新指针和计数器current_addr += chunk_size;firmware += chunk_size;remaining -= chunk_size;}printf("固件下载完成，总大小: %d 字节\r\n", size);return true;
}

标准SPI下载的优化技巧：

1. 批量扇区擦除：

   • 对于大块数据，使用块擦除（32KB/64KB）而非多次扇区擦除
   • 对于整个芯片编程，考虑使用芯片擦除命令

2. DMA传输优化：

void spi_flash_read_data_dma(uint32_t address, uint8_t* buffer, uint32_t length) {// 发送命令和地址（与普通读类似）// ...// 配置DMA接收DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&SPI1->DR;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)buffer;DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = length;// 其他DMA配置// ...// 启用SPI的DMA接收SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Rx, ENABLE);// 开始DMA传输DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);// 等待DMA传输完成while(!DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2));// 清理和释放// ...
}

3. 快速读取命令：

   • 标准读取（0x03）在低速时钟下工作良好
   • 对于更高速率，使用快速读取命令（0x0B），带有额外的等待周期

4. 断电保护：

   • 实现断电检测和恢复机制
   • 保存下载进度信息，支持断点续传

5. 多重缓冲：

   • 实现双缓冲区机制，一个缓冲区传输数据，同时准备下一个缓冲区
   • 减少CPU等待时间，提高吞吐量

与高级SPI模式的比较：

特性	标准SPI下载	QSPI下载
数据线数量	2 (MOSI+MISO)	4 (IO0~IO3)
传输速率	较低	高达标准SPI的4倍
实现复杂度	简单	较复杂
硬件要求	低	较高，需专用QSPI控制器
兼容性	几乎所有SPI闪存	仅支持QSPI的闪存
典型应用	引导加载、配置更新	代码执行、资源存储

4.2 XIP（Execute In Place）

XIP技术允许处理器直接从闪存执行代码，无需复制到RAM，这在资源受限的系统中尤为重要。

XIP实现关键点：

1. 引导加载程序配置：

   • 系统启动时，引导加载程序初始化QSPI控制器
   • 配置内存映射参数，建立地址映射关系

2. 代码编译考虑：

   • 应用程序需要专门编译为XIP兼容
   • 链接脚本需要指定正确的内存区域
   • 例如STM32的XIP链接区域示例：

   MEMORY
   {FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x90000000, LENGTH = 8M  /* QSPI映射区域 */RAM (rwx)       : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
   }
   

3. 性能注意事项：

   • XIP执行速度通常低于RAM执行
   • 对时间关键型代码，考虑将其复制到RAM中执行
   • 闪存读取延迟会影响指令获取性能

4.3 基于标准SPI的代码执行

虽然QSPI因其高速特性和专用内存映射功能而常被用于XIP实现，但值得注意的是，普通MCU也可以通过标准SPI接口直接从外部Flash执行代码，这种技术在资源受限的系统中尤为重要。

4.3.1 标准SPI的XIP实现机制

普通MCU上实现基于标准SPI的XIP通常有以下几种方式：

1. 基于硬件的实现：

   • 某些MCU集成了专门的硬件支持，即使是标准SPI控制器也提供内存映射功能
   • 例如STM32F4系列中的一些型号允许通过Memory-Mapped SPI访问外部Flash
   • NXP的部分LPC系列MCU支持从Quad-SPI和标准SPI Flash执行代码

2. 基于软件的实现：

   • 使用代码抖动(Code Shadowing)技术，将SPI Flash上的代码分块加载到RAM执行
   • 通过复杂的跳转表和中断向量重映射实现近似的XIP功能
   • 页面交换(Page Swapping)技术，维护一个内部RAM缓存，动态加载代码块

4.3.2 标准SPI执行代码的实现步骤

以ARM Cortex-M系列MCU为例，实现基于标准SPI Flash的代码执行：

1. 引导加载程序设计：

// 简化的引导加载程序示例
void bootloader_start(void) {// 初始化SPI接口SPI_Init();// 检测SPI Flashuint32_t flash_id = SPI_Flash_ReadID();if(is_valid_flash(flash_id)) {// 读取程序头信息，包含程序大小和入口点program_header_t header;SPI_Flash_Read(PROGRAM_HEADER_ADDR, (uint8_t*)&header, sizeof(header));// 将程序从SPI Flash加载到RAMSPI_Flash_Read(PROGRAM_START_ADDR, (uint8_t*)RAM_EXEC_ADDR, header.size);// 重置堆栈指针__set_MSP(*(uint32_t*)RAM_EXEC_ADDR);// 跳转到RAM中的程序入口点void (*program_entry)(void) = (void(*)(void))(RAM_EXEC_ADDR + 4);program_entry();} else {// Flash无效，进入恢复模式enter_recovery_mode();}
}

2. 代码分区设计：

   • 将程序划分为关键部分和非关键部分
   • 关键代码（如中断处理程序、性能敏感代码）放在内部Flash或RAM
   • 非关键代码（如初始化函数、低频调用函数）放在外部SPI Flash

3. 动态代码加载：

// 简化的代码加载管理器
typedef struct {uint32_t flash_addr;  // SPI Flash中的地址uint32_t size;        // 代码段大小uint8_t is_loaded;    // 是否已加载标志
} code_segment_t;// 代码段表
static code_segment_t code_segments[MAX_SEGMENTS];
static uint8_t code_cache[CODE_CACHE_SIZE];
static uint32_t current_segment = 0xFFFFFFFF;// 加载并执行代码段
void* load_and_execute(uint32_t segment_id, void* params) {if(segment_id >= MAX_SEGMENTS)return NULL;// 检查是否需要加载新段if(current_segment != segment_id) {// 从Flash加载代码段到缓存SPI_Flash_Read(code_segments[segment_id].flash_addr, code_cache, code_segments[segment_id].size);current_segment = segment_id;}// 执行加载的代码void* (*func)(void*) = (void*(*)(void*))code_cache;return func(params);
}

4.3.3 普通SPI执行代码的优化技术

即使没有专用的XIP硬件支持，也可以通过多种技术优化基于标准SPI的代码执行：

1. 代码压缩：

   • 压缩存储在SPI Flash中的代码，加载时解压缩
   • 减少数据传输量，提高加载速度

   // 简化的解压缩加载示例
   void load_compressed_segment(uint32_t flash_addr, uint8_t* dest, uint32_t compressed_size, uint32_t original_size) {uint8_t compressed_buffer[MAX_COMPRESSED_SIZE];// 读取压缩数据SPI_Flash_Read(flash_addr, compressed_buffer, compressed_size);// 解压缩到目标内存decompress(compressed_buffer, compressed_size, dest, original_size);
   }
   

2. 预取与缓存：

   • 实现简单的代码缓存机制，使用LRU(最近最少使用)策略
   • 预测性加载下一个可能执行的代码块

   // 简化的代码缓存管理
   typedef struct {uint32_t flash_addr;  // 对应的Flash地址uint32_t access_count; // 访问计数，用于LRU策略uint8_t data[CACHE_BLOCK_SIZE];
   } cache_block_t;// 通过缓存访问代码
   uint8_t* get_code_from_flash(uint32_t addr) {// 查找缓存int cache_hit = find_in_cache(addr);if(cache_hit >= 0) {// 缓存命中，更新访问计数cache_blocks[cache_hit].access_count++;return cache_blocks[cache_hit].data;}// 缓存未命中，加载新块int lru_block = find_lru_block();SPI_Flash_Read(addr, cache_blocks[lru_block].data, CACHE_BLOCK_SIZE);cache_blocks[lru_block].flash_addr = addr;cache_blocks[lru_block].access_count = 1;return cache_blocks[lru_block].data;
   }
   

3. 零拷贝执行：

   • 对于只读代码，配置MCU的内存保护单元(MPU)，允许直接从SPI数据缓冲区执行代码
   • 减少RAM到RAM的复制开销

   // 配置内存区域为可执行
   void set_buffer_executable(uint32_t buffer_addr, uint32_t size) {// 禁用MPUMPU->CTRL &= ~MPU_CTRL_ENABLE_Msk;// 配置MPU区域MPU->RNR = MPU_REGION_NUMBER;MPU->RBAR = buffer_addr;MPU->RASR = MPU_RASR_ENABLE_Msk |(0x07 << MPU_RASR_SIZE_Pos) |  // 大小为2^(7+1)=256字节(0x03 << MPU_RASR_AP_Pos);     // 读写访问权限// 启用MPUMPU->CTRL |= MPU_CTRL_ENABLE_Msk;// 数据同步屏障，确保内存访问完成__DSB();// 指令同步屏障，确保指令获取使用新设置__ISB();
   }
   

4.3.4 普通SPI与QSPI执行代码的比较

特性	标准SPI执行代码	QSPI内存映射执行
硬件要求	基本SPI控制器	专用QSPI控制器
执行速度	较慢，通常需要先加载到RAM	较快，可直接从Flash执行
RAM占用	较高，需要代码缓存空间	较低，只需关键代码
实现复杂度	软件复杂度高	硬件支持，软件较简单
功耗	可能更高（频繁RAM访问）	可能更低（减少RAM操作）
适用场景	低成本MCU，代码量适中	高性能MCU，大型应用

4.3.5 实际应用案例

案例1：Arduino运行外部SPI Flash上的代码：
Arduino等资源受限的平台可以使用外部SPI Flash扩展程序空间。通过自定义引导加载程序，实现从外部SPI Flash读取代码并执行：

// Arduino上执行SPI Flash代码的简化实现
void setup() {// 初始化SPISPI.begin();pinMode(FLASH_CS_PIN, OUTPUT);digitalWrite(FLASH_CS_PIN, HIGH);// 加载外部函数load_external_function(FUNCTION_ID_1);
}void loop() {// 调用外部函数execute_external_function(FUNCTION_ID_1, NULL);delay(1000);
}// 加载外部函数到RAM缓冲区
void load_external_function(uint8_t function_id) {uint32_t addr = function_table[function_id].address;uint16_t size = function_table[function_id].size;digitalWrite(FLASH_CS_PIN, LOW);SPI.transfer(0x03);  // 读取命令SPI.transfer((addr >> 16) & 0xFF);SPI.transfer((addr >> 8) & 0xFF);SPI.transfer(addr & 0xFF);for(uint16_t i = 0; i < size; i++) {function_buffer[i] = SPI.transfer(0);}digitalWrite(FLASH_CS_PIN, HIGH);
}// 执行已加载的函数
void* execute_external_function(uint8_t function_id, void* param) {// 将函数缓冲区转换为函数指针void* (*func)(void*) = (void*(*)(void*))function_buffer;return func(param);
}

案例2：嵌入式监控系统代码隔离：
在工业监控系统中，使用双区域架构实现安全隔离：

• 核心执行引擎位于内部Flash，负责系统关键功能
• 可升级的监控算法存储在外部SPI Flash，按需加载执行
• 进程隔离确保外部代码不会干扰系统核心功能

这种架构提供了几个关键优势：

1. 系统核心保持稳定，即使外部算法存在问题
2. 监控算法可远程更新，无需更改核心系统
3. 通过代码签名和验证增强安全性

4.3.6 注意事项与局限性

基于标准SPI Flash执行代码时需注意以下几点：

1. 性能限制：

   • SPI时钟频率限制了代码加载速度
   • 每次函数调用可能需要额外开销，特别是首次调用时
   • 不适合对时间要求严格的实时应用

2. 兼容性问题：

   • 代码需要位置无关(PIC)或特殊编译，确保可在任意内存位置执行
   • 某些处理器体系结构可能限制从数据内存执行代码的能力
   • 需注意对齐要求，特别是ARM Thumb指令

3. 调试难度：

   • 动态加载的代码调试较为困难
   • 错误追踪复杂，可能需要特殊的调试工具和技术

4. 安全隐患：

   • 动态加载的代码可能引入安全风险
   • 应实施代码验证、签名和加密等保护措施

4.4 校验与安全机制

校验机制：

1. 写入后验证：

   • 在每个页编程后进行读回验证
   • 发现不匹配时重新编程或报错

2. 校验和验证：

   • 计算固件的校验和（如CRC32、SHA256）
   • 将校验和存储在特定位置，启动时验证

安全下载机制：

1. 防篡改保护：

   • 实现安全引导（Secure Boot）
   • 验证固件签名确保真实性

2. 加密固件：

   • 存储加密的固件内容
   • 只有授权设备能正确解密和执行

   // 简化的固件解密示例
   void decrypt_and_program(uint32_t address, const uint8_t *encrypted_data, uint32_t len, const uint8_t *key) {uint8_t decrypted[256];  // 一页大小的缓冲区// 分页处理for(uint32_t offset = 0; offset < len; offset += 256) {uint32_t chunk_size = min(256, len - offset);// 解密数据aes_decrypt(encrypted_data + offset, decrypted, chunk_size, key);// 编程当前页program_page(address + offset, decrypted, chunk_size);}
   }
   

3. 读取保护：

   • 配置闪存状态寄存器以启用保护
   • 防止未授权读取闪存内容

   void enable_read_protection(void) {// 读取当前状态寄存器uint8_t status = read_status_register();// 设置保护位status |= 0x80;  // 通常位7或位5用于读取保护// 写回状态寄存器write_status_register(status);
   }
   

5. 高级应用案例

5.1 嵌入式系统启动加速

QSPI的高速特性和XIP功能可显著提升嵌入式系统的启动速度：

传统启动流程：

1. 引导加载程序从SPI闪存读取固件
2. 将固件复制到RAM
3. 执行RAM中的代码

QSPI XIP优化启动：

1. 引导加载程序配置QSPI内存映射
2. 直接从映射区域执行固件
3. 仅将关键代码复制到RAM执行

性能提升：

• 启动时间可减少50-80%
• 减少RAM占用，为应用程序释放更多空间

代码示例（STM32 QSPI启动配置）：

void configure_qspi_boot(void) {// 初始化QSPI硬件init_qspi_hardware();// 配置闪存以支持XIPqspi_enable_xip_mode();// 重映射启动区域（如果需要）SCB->VTOR = QSPI_BASE_ADDRESS;  // 设置向量表偏移// 可选：将关键代码复制到RAMmemcpy((void*)SRAM_CODE_REGION, (void*)QSPI_CRITICAL_CODE_REGION, CRITICAL_CODE_SIZE);// 跳转到应用程序入口点jump_to_application();
}

5.2 资源受限设备的内存扩展

对于RAM有限的微控制器，QSPI闪存可作为扩展存储，存储大型数据集：

应用场景：具有复杂UI的低成本设备

• 图形资源（图标、字体、背景）存储在QSPI闪存
• 通过内存映射直接访问
• 避免将整个资源复制到有限的RAM

实现技术：

• 资源文件系统：在QSPI闪存上实现简单的只读文件系统
• 直接渲染：GPU或图形库直接从QSPI读取像素数据
• 缓存管理：为频繁访问的资源建立RAM缓存

示例应用：

// 直接从QSPI闪存读取图像并显示
void display_image(uint32_t image_offset, uint16_t x, uint16_t y) {// 获取图像头信息image_header_t* header = (image_header_t*)(QSPI_BASE_ADDR + image_offset);uint16_t width = header->width;uint16_t height = header->height;// 计算像素数据的起始地址uint16_t* pixel_data = (uint16_t*)(QSPI_BASE_ADDR + image_offset + sizeof(image_header_t));// 直接将数据传送到显示控制器for(uint16_t row = 0; row < height; row++) {lcd_set_window(x, y + row, x + width - 1, y + row);lcd_write_pixels(pixel_data + row * width, width);}
}

6. 总结与展望

QSPI技术总结

QSPI通过四线传输和内存映射等高级特性，为资源受限的嵌入式系统提供了高速外部存储解决方案。其主要优势包括：

1. 高性能：相比标准SPI提供最高4倍的传输速率
2. 内存扩展：通过XIP技术扩展有限的片上存储
3. 灵活性：支持多种操作模式，可根据需求调整性能和兼容性
4. 广泛支持：众多微控制器集成了QSPI控制器，闪存芯片供应充足

未来发展趋势

1. 更高速度：QSPI接口频率不断提高，部分控制器已支持133MHz以上
2. 八线接口：OSPI（Octo-SPI）提供8条数据线，理论带宽翻倍
3. 高级闪存技术：支持更快写入、更长寿命的新型闪存芯片
4. 安全特性增强：集成加密引擎，支持安全启动和加密存储
5. 统一内存架构：将QSPI内存更紧密地集成到处理器内存系统中

QSPI作为连接微控制器和大容量存储的桥梁，将继续在嵌入式系统中扮演重要角色，尤其是在需要平衡性能、成本和功耗的应用场景中。

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参考资料

1. ST Microelectronics, “STM32 QSPI接口和内存映射使用指南”
2. NXP Semiconductors, “i.MX RT系列参考手册：QSPI控制器章节”
3. Micron Technology, “串行NOR闪存设计指南”
4. JEDEC标准, “串行闪存规范JESD216D”
5. ARM, “内存系统优化技术白皮书”

附录：常见SPI闪存指令集

命令名称	操作码	格式	描述
读取数据	0x03	CMD+ADDR+DATA	标准读取，无额外等待
快速读取	0x0B	CMD+ADDR+DUMMY+DATA	高速读取，带额外等待周期
页编程	0x02	CMD+ADDR+DATA	写入单页数据(通常最大256字节)
扇区擦除(4KB)	0x20	CMD+ADDR	擦除4KB扇区
块擦除(32KB)	0x52	CMD+ADDR	擦除32KB数据块
块擦除(64KB)	0xD8	CMD+ADDR	擦除64KB数据块
芯片擦除	0xC7/0x60	CMD	擦除整个芯片
写使能	0x06	CMD	启用写操作
写禁止	0x04	CMD	禁用写操作
读状态寄存器1	0x05	CMD+DATA	读取状态寄存器1
写状态寄存器1	0x01	CMD+DATA	写入状态寄存器1
读状态寄存器2	0x35	CMD+DATA	读取状态寄存器2
写状态寄存器2	0x31	CMD+DATA	写入状态寄存器2
读JEDEC ID	0x9F	CMD+DATA	读取制造商ID和设备ID
读唯一ID	0x4B	CMD+DUMMY+DATA	读取唯一序列号
掉电/深度睡眠	0xB9	CMD	进入低功耗模式
唤醒	0xAB	CMD	从低功耗模式唤醒