I.MX RT1170之FlexSPI(3)：NOR Flash手册分析和参数配置详解_ahbprefetch

在上一节中，我们分析了FlexSPI的相关参数：LUT表格的组成和FlexSPI结构体配置，这一节就以WINBOND的W25Q256JV NOR Flash为例，看一下如何根据这个NOR Flash的数据手册配置FlexSPI接口。

1 SDK代码

上一节我们详细分析了FlexSPI的相关参数，但大部分的参数实际上我们保持默认就行，只需要配置一些典型的参数即可。所以首先就来看一下在官方SDK中是如何配置NOR Flash的，用到了哪些参数。

flexspi_device_config_t deviceconfig = {
    .flexspiRootClk       = 12000000,
    .flashSize            = FLASH_SIZE,
    .CSIntervalUnit       = kFLEXSPI_CsIntervalUnit1SckCycle,
    .CSInterval           = 2,
    .CSHoldTime           = 3,
    .CSSetupTime          = 3,
    .dataValidTime        = 0,
    .columnspace          = 0,
    .enableWordAddress    = 0,
    .AWRSeqIndex          = 0,
    .AWRSeqNumber         = 0,
    .ARDSeqIndex          = NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD,
    .ARDSeqNumber         = 1,
    .AHBWriteWaitUnit     = kFLEXSPI_AhbWriteWaitUnit2AhbCycle,
    .AHBWriteWaitInterval = 0,
};

void flexspi_nor_flash_init(FLEXSPI_Type *base)
{
    flexspi_config_t config;
    /* To store custom's LUT table in local. */
    uint32_t tempLUT[CUSTOM_LUT_LENGTH] = {0x00U};

    /* Copy LUT information from flash region into RAM region, because LUT update maybe corrupt read sequence(LUT[0])
     * and load wrong LUT table from FLASH region. */
    memcpy(tempLUT, customLUT, sizeof(tempLUT));

    flexspi_clock_init();

    /*Get FLEXSPI default settings and configure the flexspi. */
    FLEXSPI_GetDefaultConfig(&config);

    /*Set AHB buffer size for reading data through AHB bus. */
    config.ahbConfig.enableAHBPrefetch    = true;
    config.ahbConfig.enableAHBBufferable  = true;
    config.ahbConfig.enableReadAddressOpt = true;
    config.ahbConfig.enableAHBCachable    = true;
    config.rxSampleClock                  = kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackFromDqsPad;
    FLEXSPI_Init(base, &config);

    /* Configure flash settings according to serial flash feature. */
    FLEXSPI_SetFlashConfig(base, &deviceconfig, FLASH_PORT);

    /* Update LUT table. */
    FLEXSPI_UpdateLUT(base, 0, tempLUT, CUSTOM_LUT_LENGTH);

    /* Do software reset. */
    FLEXSPI_SoftwareReset(base);
}
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可以看到，FlexSPI的配置主要分为四步：时钟配置、FlexSPI特性配置、FlexSPI Flash配置和LUT表格配置。下面就来分析这四个步骤。

2 NOR Flash配置流程

2.1 时钟配置

FlexSPI的时钟需要正确配置，一是要看NOR Flash最高支持的读写频率，二是要看FlexSPI接口支持的最高频率。
（1）RT1176 FlexSPI时钟频率
这个再手册中似乎没有介绍，即FlexSPI的最高频率取决于其时钟源，FlexSPI的时钟源有以下几种，如下图所示：

可以看到，最高支持的频率为SYS_PLL2_CLK的528MHz。另外对于FlexSPI1的Secondary Pin Group来说，该组的最大支持频率为100MHz。

（2）W25Q256JV时钟频率

可以看到在该NOR Flash作为最基本的SPI半双工使用时，有133MHz；对于Dual I/O，即DI和DO同时用于传输数据，速率可以达到266MHz；而对于Quad I/O，即在Dual I/O的基础上还有两个I/O引脚，则速率可以达到532MHz。

（3）时钟频率的选择
我们可以根据硬件的连接进行选择，比如是Quad I/O连接的，则可以选择更高的频率。但是我们在调程序的阶段还是保险地选择低一点的频率，这里选择100MHz。

2.2 FlexSPI特性配置

接下来是调用FLEXSPI_GetDefaultConfig获取一些针对FlexSPI特性结构体flexspi_config_t的一些默认配置，这个结构体中的每一个参数我在上一篇文章中有详细地介绍，由于参数非常多，而这个默认配置具有一定的普遍性，能兼容大部分的FlexSPI设备，这里就简单地回顾一下，上面的代码在默认参数的基础上修改的这几个参数：

config.ahbConfig.enableAHBPrefetch    = true;
config.ahbConfig.enableAHBBufferable  = true;
config.ahbConfig.enableReadAddressOpt = true;
config.ahbConfig.enableAHBCachable    = true;
config.rxSampleClock                  = kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackFromDqsPad;
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（1）enableAHBPrefetch：在完成当前AHB突发读取后，预先读取一些额外的数据到缓冲区中以加快后续读取，但这会增加功耗
（2）enableAHBBufferable ：是否开启AHB写缓冲访问，在执行写命令后，不等待其执行完毕就返回，允许后续指令继续执行，提高系统的并发性
（3）enableReadAddressOpt：控制是否移除AHB读取突发起始地址对齐限制，若使能，突发读取地址没有字节对齐限制
（4）enableAHBCachable：使能AHB总线缓存读取，若命中则从缓存中读取，但要确保数据的一致性
（5）rxSampleClock：读数据使用的时钟源，对于四线的QSPI NOR Flash来说，一般没有DQS引脚。

• DQS(Data Strobe Signal)数据选通信号，一般在八线的存储设备中会有这个引脚，且在SCLK双边沿采样时使用，用于Flash通知FlexSPI接收数据

对于W25Q256JV来说，没有DQS引脚，所以这里我们需要将rxSampleClock设置为kFLEXSPI_ReadSampleClkLoopbackInternally，即采样时钟信号是通过FlexSPI控制器内部产生的，并在内部回路中循环反馈。相比DQS引脚的Flash来说，内部循环反馈方式的采样速率会更低一些。

2.3 FlexSPI Flash配置

然后是对于特定Flash的一个配置，相关参数在flexspi_device_config_t中。来看一下这个结构体：

typedef struct _flexspi_device_config
{
    uint32_t flexspiRootClk;
    bool isSck2Enabled;
    uint32_t flashSize;
    flexspi_cs_interval_cycle_unit_t CSIntervalUnit;
    uint16_t CSInterval;
    uint8_t CSHoldTime;
    uint8_t CSSetupTime;
    uint8_t dataValidTime;
    uint8_t columnspace;
    bool enableWordAddress;
    uint8_t AWRSeqIndex;
    uint8_t AWRSeqNumber;
    uint8_t ARDSeqIndex;
    uint8_t ARDSeqNumber;
    /* AHB写等待单位 */
    flexspi_ahb_write_wait_unit_t AHBWriteWaitUnit;
    /* AHB写等待间隔，乘以AHB写等待单位得到AHB写等待周期数,即写完后等待外部存储器处理完数据的时间 */
    uint16_t AHBWriteWaitInterval;
    /* 是否启用写入屏蔽。指示在向外部设备写入数据时是否将FLEXSPI的DQS引脚用作写入屏蔽 */
    bool enableWriteMask;
} flexspi_device_config_t;
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（1）flexspiRootClk：需要和前面设置的FlexSPI的时钟频率一致，建议还没调通前设置小一点
（2）isSck2Enabled：用在并行模式中，即硬件上在FlexSPI的PortA和PortB各接一个Flash，Flash的读写操作在Port A和Port B并行完成，FlexSPI将自动合并/拆分Flash读写的数据，此时需要使能SCK2时钟，这里设置为false就行。
（3）flashSize：Flash的大小，以KB为单位。对于W25Q256JV来说，有256Mb=32MB=32*1024KB。
（4）CSIntervalUnit和CSInterval：二者相乘即CS片选线的保持时间，有的芯片(特别是FPGA)对连续两次片选之间的间隔时间有一定的限制。对于W25Q256JV来说，没有这个限制，填0也行，这里就填一个大多数Flash都支持的默认间隔参数。

（5）CSHoldTime和CSSetupTime：即数据的保持时间和建立时间，来看一下W25Q256JV的手册：

可以看到，数据在CLK的上升沿被采样，在这之前数据应该至少建立1ns。而在CLK上升沿后，数据还需至少保持3ns。由于这里我们设置的FlexSPI频率很低，所以这两个参数随便设置，这里都设为典型值3，即3/12000000=250ns，完全足够了。
（6）columnspace：有些设备是采用行/列的方式寻址的，需要指定列地址寻址使用的位数。对于W25Q256JV来说，它没有列地址的概念，直接使用32位地址来寻址，所以columnspace设置为0。

（7）enableWordAddress：有的设备支持按字寻址，若使能，访问Flash的起始地址和数据长度都应该2字节对齐，若没有对齐，FlexSPI不会传最低位给外部Flash，即会自动向下对齐。

对于W25Q256JV来说，在手册中没有看到按字寻址的相关内容，它只支持按字节寻址。

（8）AWRSeqIndex,AWRSeqNumber,ARDSeqIndex,ARDSeqNumber：即写/读序列的序列索引和数量。
其中序列索引xxxSeqIndex来说，它对应LUT表格中的指令索引。而对于某些存储设备(例如HyperFlash/HyperRam/Serial NAND)，Flash编程访问是通过几个命令序列完成，也就是说AHB命令还将触发LUT中xxxSeqIndex后面的xxxSeqNumber-1个命令序列。

这里AWRSeqIndex和AWRSeqNumber都设置为0，表示这里禁止了AHB直接写Flash的操作，用户可以使用IP指令调用LUT表格中的序列写Flash。ARDSeqIndex和ARDSeqNumber都设置为1，表示LUT表格中索引1处为读操作的序列。

（9）AHBWriteWaitUnit和AHBWriteWaitInterval：二者相乘为Flash写操作后需要等待的时间。W25Q256JV的page program时间如下：

可以看到没有最小值的限制，这里程序中就将AHBWriteWaitInterval赋0。

2.4 LUT表格配置

下面是LUT表格的代码示例，具体格式可以参考LUT表格的组成和FlexSPI结构体配置。这里实现了很多命令，除了读写命令可以在_flexspi_device_config中配置后由AHB访问外，其它的命令需要使用IP指令访问。一般来说，我们在_flexspi_device_config设置一个读命令，这样ROM BootLoader可以从NOR Flash读取程序并运行，而其它的命令，我们就使用IP指令访问。

#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL        7
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST          13
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD     0
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUS         1
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITEENABLE        2
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASESECTOR        3
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_SINGLE 6
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD   4
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READID             8
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG     9
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTERQPI           10
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_EXITQPI            11
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG      12
#define NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASECHIP          5

const uint32_t customLUT[CUSTOM_LUT_LENGTH] = {
    /* Normal read mode -SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x03, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL + 1] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Fast read mode - SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x0B, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(
        kFLEXSPI_Command_DUMMY_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x08, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Fast read quad mode - SDR */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0xEB, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_FAST_QUAD + 1] = FLEXSPI_LUT_SEQ(
        kFLEXSPI_Command_DUMMY_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x06, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x04),

    /* Read extend parameters */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUS] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x81, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Write Enable */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITEENABLE] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x06, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Erase Sector  */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASESECTOR] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0xD7, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),

    /* Page Program - single mode */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_SINGLE] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x02, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_SINGLE + 1] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Page Program - quad mode */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x32, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD + 1] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Read ID */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READID] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x9F, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Enable Quad mode */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x31, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Enter QPI mode */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ENTERQPI] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x35, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Exit QPI mode */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_EXITQPI] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0xF5, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),

    /* Read status register */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READSTATUSREG] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x05, kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),

    /* Erase whole chip */
    [4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_ERASECHIP] =
        FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0xC7, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
};
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• LUT中的每个Sequence可以有8个指令，如果不及8个指令可以留空，则默认全为0，正好表示停止指令序列：kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0x00，其中kFLEXSPI_Command_STOP和kFLEXSPI_1PAD都是0。

下面就挑两个时序来分析一下，具体的LUT参数含义在LUT表格的组成和FlexSPI结构体配置。

（1）Normal read mode -SDR

[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x03, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_READ_NORMAL + 1] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_READ_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
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来看一下时序图：

首先我们需要要进入SDR模式，指令码为kFLEXSPI_Command_SDR，参数为0x03。接着，我们需要传输访问的地址，在W25Q256JV中传输行地址kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR即可，参数为地址的宽度，为0x18=24。然后就可以调用kFLEXSPI_Command_READ_SDR来读取数据了，参数为读取数据的最小长度，这里填0x04。其中第二个参数是数据传输使用的引脚个数，从图中可以看出都是一次传8位的，所以都设置为kFLEXSPI_1PAD。

（2）Page Program - quad mode
quad mode顾名思义就是四线模式，QSPI有三种硬件连接方式及其对应的工作模式：Single-Bit SPI、Dual SPI、Quad SPI。其中Single-Bit SPI就是SPI接口(MISO和MOSI都是单向的)，Dual SPI也是四个引脚，只不过它的MISO和MOSI都是双向的，而对于Quad SPI来说，就是在Dual SPI的基础上还多了两根数据线，如下图所示，左边是W25Q256JV的封装，右边是硬件连接方式。

现在来看一下quad mode下写数据的时序图：

这个指令允许一次写256字节的数据(写之前要先擦除)，LUT时序如下，和前面的读指令很相似，就是kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR的pad应该设置为kFLEXSPI_4PAD

[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x32, kFLEXSPI_Command_RADDR_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x18),
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_PAGEPROGRAM_QUAD + 1] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_4PAD, 0x04, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
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注意，在使用IP指令执行写操作的时候，还需要保证QE位为1且Write Enable指令已经执行，如下图所示：

这两个操作就对应了LUT表格中的Enable Quad mode和Write Enable两条指令：

/* Enable Quad mode */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITESTATUSREG] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x31, kFLEXSPI_Command_WRITE_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x04),
/* Write Enable */
[4 * NOR_CMD_LUT_SEQ_IDX_WRITEENABLE] =
   FLEXSPI_LUT_SEQ(kFLEXSPI_Command_SDR, kFLEXSPI_1PAD, 0x06, kFLEXSPI_Command_STOP, kFLEXSPI_1PAD, 0),
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手册中这两条指令的描述如下图所示：

可以看到Write Enable就直接执行0x06指令就行了，而Enable Quad mode要写状态寄存器2，写的长度为0x04，即4个字节，使用IP指令时，将写入内容设置为0x02U(bit1为QE)即可进入Quad mode。

3 总结

本文通过W25Q256JV手册解释了使用FlexSPI初始化W25Q256JV NOR Flash的步骤，实际上就是根据手册中的命令来配置LUT表格，其它的一些时序参数在FlexSPI时钟低的时候随便设置都没有问题，因为肯定能满足。实际调这些外部存储器的时候，我的建议是把时钟降低，读寄存器中的Chip ID，这个读对了，再接下去调别的读写时序。