NXP SPIFI(QSPI)应用详解与程序固件分散加载

1. SPIFI 标准

  SPIFI（SPI FLASH INTERFACE），百度百科的定义：SPIFI是SPI闪存接口专利技术的缩写，可以帮助32位嵌入式微片器使用小尺寸、低成本的串行闪存替代大尺寸、高成本的并行闪存。利用SPIFI技术，外部串行闪存可以映射到微控制器内存中，达到片上内存读取效果。关于SPIFI的资料并不多，因为SPIFI是NXP（恩智浦）公司提出来并应用在自身各系列的MCU中，NXP MCU手册关于SPIFI的介绍如下图。在了解SPIFI前，先回顾并不陌生的SPI flash接口。

1.1 SPI分类

  SPI（Serial Peripheral Interface）是摩托罗拉提出的一种高速、全双工的串行通信总线。标准SPI是4根线，分别时钟线（CLK）、片选（CS）、数据输出（DO）、数据输入（DI），后面摩托罗拉在标准SPI的基础上，又提出了Dual SPI和Quad SPI，目前很多厂家的串行flash已经支持此三类SPI，根据命名规则，一般带Q的型号是支持的，如华邦W25Q16（W25X16不支持）。

• Standard SPI: CLK，/CS，DI，DO，/WP，/Hold
• Dual SPI: CLK，/CS， IO0，IO1，/WP，/Hold
• Quad SPI: CLK，/CS，IO0，IO1，IO2，IO3

标准SPI：

• CLK(Serial Clock):时钟线
• /CS(Chip Select):片选接口
• DI(Serial Data Input):数据输入端口
• DO(Serial Data Output):输出输出端口
• /WP:写保护引脚
• /Hold:保持引脚

DSPI：

• 增加IO0—IO1数据线

QSPI：

• 增加IO0—IO3数据线

1.2 SPIFI与SPI

  通过上述，可以发现SPIFI和QSPI异曲同工，而NXP的数据手册中亦提到SPIFI和QSPI的描述，只是SPIFI专门应用于串行闪存，QSPI可以应用在支持QSPI的各类外设中。基于各类原因，QSPI专利或是作自身MCU特点，NXP应该是对QSPI进行改进，衍生出“SPIFI”这高大上的名称。因此，如果在此之前使用过QSPI的，对于SPIFI使用会易于理解。但NXP对外宣传SPIFI是花费很长时间研究出来的非常厉害的专利，底层代码并不开源，以库的形式提供，因此使用起来调用库API即可。

2. SPIFI

2.1 SPIFI外设

2.2 SPIFI IO

2.3 串行flash选择

2.4 SPIFI 库

  SPIFI库包含三个文件，驱动库、函数接口、初始化源码，分别是“spifi_drv_M4.lib”、“spifi_rom_api.h”、“SPIFI.c”。本人使用的是LPC4088，基于Cortex M4内核，因此使用的是M4的库。一般库文件会随NXP板级支持包提供，不过本人之前资料并未提供，是自行在NXP官网获得。“SPIFI.c”是官方提供的一个初始化例子，不是必须的，使用时可以根据设计框架要求放置到指定位置。

2.4.1 SPIFI API

   主要API函数接口或者说经常使用到的函数接口，有三个：初始化（spifi_init），编程（写）（spifi_program），擦除（spifi_erase）。此时，可能有人会有疑问，为什么读函数接口没有提供。因为，初始化完成后MCU会将串行flash的物理地址映射到MCU内部总线地址上（0x—0x28FFFFFF），关于读操作，只需像平常访问内存地址一样即可读取对应地址上的值。理论上写（编程）也是可以的，但写操作与串行flash类型、型号相关脸，必须遵循页写、块写、扇区写等，而不同的厂家、不同型号的flash页、块、扇区大小都有可能不一样。擦除操作同理需遵循页擦除、扇区擦除等，因此必须调用SPIFI库提供的函数接口访问。

  其他函数API可以在“spifi_rom_api.h”头文件中查看，在一些特殊场合可能会用到，如一些测试、状态切换、快读等功能。但前提条件是注意初始化成功，因为SPIFI传入参数是以“函数指针方式”，如果未初始化成功，访问时会出现异常。

2.5 SPIFI 内存映射

  NXP将串行flash物理地址映射到MCU内部内存总线上，映射到内存地址范围为0x—0x28FFFFFF，因此最大支持16MB串行flash，对于我们使用来说，16M足够大了，特别是用来存储程序的情况。但目前Keil编译器中，只支持4M空间加载大小。

  NXP对flash物理地址映射，具有非常大优势，比如在读操作时，我们无需关心SPIFI总线或者flash实际物理地址，只需知道flash大小即可，然后可以通过映射后的地址（0x）进行访问。比如，对于W25Q16 2MB的flash映射地址为0x—0x，读取W25Q16首地址1字节数，可以这样操作：

char *p; char data; p = (char*)0x; data = *p; 

3. SPIFI 使用

3.1 添加SPIFI 库

3.2 初始化

  初始化代码在“SPIFI.c”中，主要是对SPIFI相关的IO初始化，以及“SPIFI_RTNS”函数指针实例化。该代码是NXP提供的例程。

void SPIFI_Init (void) { 
                #ifdef USE_SPIFI_LIB /* Use spifi function names directly */ #else SPIFI_RTNS * pSpifi; pSpifi = (SPIFI_RTNS *)(SPIFI_ROM_PTR); /* Call functions via spifi rom table */ #define spifi_init pSpifi->spifi_init #endif /* init SPIFI clock and pins */ LPC_SC->PCONP |= (1UL << 16); /* enable SPIFI power/clock */ LPC_IOCON->P2_7 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P2_7 |= (5UL << 0); /* SPIFI_CSN = P2.7 (FUNC 5) */ LPC_IOCON->P0_22 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P0_22 |= (5UL << 0); /* SPIFI_CLK = P0.22 (FUNC 5) */ LPC_IOCON->P0_15 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P0_15 |= (5UL << 0); /* SPIFI_IO2 = P0.15 (FUNC 5) */ LPC_IOCON->P0_16 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P0_16 |= (5UL << 0); /* SPIFI_IO3 = P0.16 (FUNC 5) */ LPC_IOCON->P0_17 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P0_17 |= (5UL << 0); /* SPIFI_IO1 = P0.17 (FUNC 5) */ LPC_IOCON->P0_18 &= ~(7UL << 0); LPC_IOCON->P0_18 |= (5UL << 0); /* SPIFI_IO0 = P0.18 (FUNC 5) */ if (spifi_init(&obj, 3, S_RCVCLK | S_FULLCLK, 48)) { 
                while (1); } } 

代码中有几个注意点是：

• 目前只是支持提供官方的SPIFI 库来使用，即是需定义宏“USE_SPIFI_LIB”。
• obj是一个全局结构体变量，该结构体是falsh的相关信息，有两个作用，一是初始化成功时，可查看flash信息，如型号、厂商、扇区大小等；另一个作用是，调用API访问flash时，该结构体地址作为实参传入，通过api头文件也可查看，所有访问函数第一个参数类型都是“SPIFIobj *”。
• 初始化，重点关注最后一个参数，也就是flash的时钟频率，其他参数参考例程。
• 可以直接调用API访问，也可以通过“SPIFI_RTNS”函数指针方式访问，但前提是该指针需实体化，且其中的函数指针需实例化，从库“spifi_rom_api.h”中看，目前只实现了初始化、写（编程）、擦除等函数实体，其他未实例化的函数指针如果去调用，程序可能会崩溃。如NXP函数指针的调用方式，这中方式也比较灵活。
• 详细接口或者函数指针查看“spifi_rom_api.h”文件。

spifi对象实例初始化:

SPIFIobj obj; SPIFI_RTNS * pSpifi; uint32_t error; #ifdef USE_SPIFI_LIB pSpifi = &spifi_table; #else pSpifi = (SPIFI_RTNS *)(SPIFI_ROM_TABLE); #endif /* Initialize SPIFI driver */ error = /*pSpifi->*/spifi_init(&obj, 4, S_RCVCLK | S_FULLCLK, 60); if (error) while (1); 

3.3 通过SPIFI访问flash

  在使用标准SPI操作串行flash实现的功能，使用SPIFI也能实现，最大的不同是后者的速度远远高于标准SPI，而且作了地址映射，访问方式有稍微的差别。主要应用功能包括参数存储、文件系统、程序存储等。

3.3.1 存储参数

  作为参数存存储介质功能，比较易理解和实现，初始化成功后调用相关读、写、擦除API即可。

• 读接口

   不提供访问函数，因为作了内存映射，可以像访问内存一样读访问。

int SPIFIFlashReadBytes(uint32_t Addr,char *ReadBuff,uint32_t Len) { 
                     uint16_t i; uint32_t addr; addr = Addr; for(i = 0; i< Len; i++) { 
                     ReadBuff[i] = *(volatile uint8_t*)addr; //1字节访问 addr++; } return Len; } 

• 擦除接口

  flash写之前，必须进行擦除操作。擦除与具体flash型号相关，支持页擦除、块擦除、整片擦除等。因此，擦除函数“spifi_erase” 会有一个与flash参数相关的入口参数，参数类型为“SPIFIopers”，需根据具体flash型号或者擦除条件设置该参数。下面为扇区擦除。

char SPIFIFlashEaseSecton(uint32_t BasePhysicalAddr,uint32_t LogicAddr) { 
                      SPIFIopers opers; opers.dest = (char *)(BasePhysicalAddr | LogicAddr); opers.length = 0x1000; //4K扇区擦除 opers.scratch = NULL; opers.options = S_VERIFY_ERASE; if (spifi_erase(&obj, &opers)) return -1; return 0; } 

• 写（编程）接口

  写操作也是与具体flash型号相关，目前主流串行flash都支持256字节页写。写函数“spifi_program”，同理需设置好“SPIFIopers”参数。下面为扇区写。

int SPIFIFlashSectonWrite(uint32_t Addr, char *WriteData) { 
                       SPIFIopers WriteOpers; uint32_t Remainsize; uint32_t i; if((Addr&0xFF) !=0) /* 256字节对齐 */ return -1; WriteOpers.scratch = NULL; WriteOpers.protect = 0; WriteOpers.options = S_CALLER_ERASE; WriteOpers.dest = obj.base + Addr; WriteOpers.length = 256; /* 256字节页写 */ for ( i = 0 ; i < 4096/256; i++ ) { 
                       /* Write */ WriteOpers.dest = (char *)( obj.base + (i*256)); if(spifi_program (&obj, (char *)WriteData, &WriteOpers)) return -1; WriteData += 256; } return 0； } 

3.3.2 文件系统

  文件系统，后续再进行文件系统移植测试。

3.4 存储/执行程序

3.4.1 分散加载

  Keil中已经支持SPIFI映射功能，可以设置“分散加载(scatter loading)”文件（后缀为.sct的文件，在链接阶段使用到），即可通过jlink烧录程序到flash中，无需借助其他第三方烧录工具。执行程序功能则是由MCU内部控制，可能普通情况下不易直观观察到。

  在此之前，我们先了解下分散加载文件。分散加载它提供这样一种机制：可以将内存变量定位于不同的物理地址上的存储器或端口，通过访问内存变量即可达到访问外部存储器或外设的目的。同时通过分散加载，让大多数程序代码在高速的内部RAM中运行，从而使得系统的实时性大大增强。关于ARM的分散加载，可以详细去了解。

  以下为常见的分散加载文件，只有一个ROM空间和RAM空间。如果MCU中有多片跨地址的RAM或者ROM则可以指定多个加载语句。

LR_IROM1 0x00000000 0x00080000 { ; load region size_region ER_IROM1 0x00000000 0x00080000 { ; load address = execution address *.o (RESET, +First) *(InRoot$$Sections) .ANY (+RO) } RW_IRAM1 0x 0x00010000 { ; RW data .ANY (+RW +ZI) } } 

  同理，当我们增加了SPIFI flash时，相当于增加了一块ROM空间，也可以设置分散加载文件，将部分存储在SPIFI flash中的程序加载运行。如NXP的一个Demo将“LED.c”的执行程序存储在SPIFI flash中，那么分散加载文件会增加如下语句。

LR_ROM1 0x 0x00 { ER_ROM1 0x 0x00 { ; load address = execution address LED.o (+RO) } } 

3.4.2 增加flash地址空间

  一般地，我们根据MCU内部flash空间大小，选择一个flash烧录地址块选项。Keil已经有支持SPIFI映射烧录，可以在使用内部flash的基础上，同时在“Flash Download”选择中增加“SPIFI flash”烧录块。如图，LPC4088的SPIFI最大支持16MB的串行flash，但目前Keil（包括Keil4和Keil5）只支持4MB空间的烧录映射，所以在选择flash容量时需考虑空间的利用率，超过4M空间很可能不支持烧录，具体没有使用大容量flash验证过。

3.4.3 程序存储配置

  如果需要将程序存储在SPIFI 外部flash中，只需设置好分散加载文件，编译代码时，在链接阶段编译器会设置相关地址信息，通过jlink烧录时即可将指定程烧录至外部flash。设置过程，有手动设置分散加载文件和自动设置。

• 手动设置：
    打开工程设置，“Options for target—>Linker”。如下图，将“1”选项去掉勾选，在选项“2”中选择对应路径的分散加载文件。后用记事本打开分散加载文件，手动输入需要加载的程序模块。
  

  
  
  
  
  
  
  

• 自动设置：

  无论是手动设置还是让编译器自动设置，都可通过Jlink将设置好的程序烧录到SPIFI flash中。

4. 总结

• SPIFI充分发挥了串行flash的性能（QSPI的flash用标准SPI访问，性能位完全发挥），降低了用户使用串行flash的门槛，使得用户专注于应用开发。
• SPIFI 存储、执行程序，能够低成本、快速解决大工程执行程序问题。比如，当应用需要用到中英文字库时，一般的实现方式是，通过USB/串口将字库文件导入到串行flash中，然后使用时从flash中读取并解析字库。而SPIFI，可以直接将字库以ASII码形式存放在单独一个源文件中，通过分散加载文件指定存储路径为外部串行flash，即可实现；而且使用时直接通过数组形式索引。