QSPI Flash读写测试实验
PS的输入/输出外设(IOP)有两个具有不同功能特性和IO接口性能的QSPI控制器。它们共享相同的APB从接口和MIO引脚。一次只能使用控制器中的一个。QSPI控制器可以访问多比特位宽的Flash设备，以实现较少的引脚数达到高吞吐量的应用。
本章我们将通过QSPI Flash控制器，来完成对QSPI Flash的读写操作。本章包括以下几个部分：
- 简介
- 实验任务
- 硬件设计
- 软件设计
- 下载验证
简介
MPSOC中的QSPI Flash控制器分为传统QSPI控制器(LQSPI)和通用QSPI控制器(GQSPI)两个。传统QSPI控制器通过AXI从接口提供了线性可寻址的内存空间。支持引导配置(BOOT)和应用软件配置的就地执行(execute-in-place)。通用QSPI控制器提供I/O，DMA和SPI三种接口模式，不支持引导(BOOT)和就地执行(execute-in-place)。I/O接口配置如下图所示：
图13.1.1 QSPI I/O接口配置
传统QSPI控制器(LQSPI)只在线性寻址模式下工作。在这种模式下，可以连接一个或两个Flash器件，为了最小化引脚数量，两块Flash可以通过8bit并行模式或者4bit堆叠排列模式连接到传统QSPI控制器。线性地址模式下，控制器通过使用部分器件操作来消除读Flash时的软件开销。QSPI控制器给Flash发送命令，控制Flash总线到AXI接口的数据流。控制器响应AXI接口上的Flash存储器请求，把Flash存储器当作ROM存储器。
通用QSPI控制器(GQSPI)满足软件对通用低级访问的要求。由于QSPI控制器的通用性，软件可以在任何模式下生成任何命令序列。同时，QSPI控制器支持SPI、Dual SPI和Quad SPI模式下的功能。QSPI控制器运行在I/O、DMA和SPI三种模式下。通用QSPI控制器也支持连接一块或两块Flash设备，为了最小化引脚数量，两块Flash可以通过8bit并行模式或者4bit堆叠排列模式连接到通用QSPI控制器。
在通用I/O模式下，软件和存储设备密切交互。软件将Flash命令写到通用FIFO中，并将数据写到TXFIFO。软件读取RXD寄存器，获取从Flash设备接收到的数据。在I/O模式下，通用QSPI控制器消除了写TXFIFO时产生的软件开销。
在通用DMA模式下，内部DMA模块将Flash设备中的数据传输到系统内存中。这种模式避免了用处理器从Flash中读数据，并且消除了TXFIFO中写满来自Flash数据时产生的软件开销。
在SPI模式下，通用QSPI控制器可以作为标准SPI控制器使用。
双QSPI结构框图如下图所示，控制器由一个传统线性QSPI控制器和一个通用QSPI控制器组成。当控制寄存器设置为1时，选择通用QSPI控制器。传统QSPI控制器和通用QSPI控制器共享带延迟线的接收捕获逻辑。
图13.1.2 双QSPI控制器
实验任务
本章的实验任务是使用QSPI Flash控制器，先后对开发板上的QSPI Flash进行写、读操作。通过对比读出的数据是否等于写入的数据，从而验证读写操作是否正确。
硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：
图13.3.1 系统框图
从图13.3.1中可以看出，本次实验是在“Hello Wold”实验的基础上增加了一个QSPI Flash控制器。我们将通过该控制器对QSPI Flash进行读写操作，并通过串口打印读写数据对比之后的结果。
首先创建Vivado工程，工程名为“qspi_flash_test”，然后创建Block Design设计（system.bd）并添加Zynq Ultrascale+ MPSOC模块。接下来按照《“Hello World”实验》中的步骤对Zynq Ultrascale+ MPSOC模块进行配置，配置完成后我们要添加本次实验所使用的QSPI Flash控制器模块。如下图所示：
图13.3.2 QSPI配置界面
如图13.3.2所示，在左侧导航栏中选择“I/O Configuraton”，然后在右侧勾选“QSPI”，并选择“Single”模式，QSPI Data Mode选择“x4”，QSPI使用默认的“MIO0..5”。“Single”指的是单个Flash器件。看以看出，该模式下控制器使用了MIO0至MIO5共6个引脚。
最后点击右下角的“OK”，本次实验Zynq Ultrascale+ MPSOC处理系统就配置完成了。配置完成后的模块如下图所示：
图13.3.3 Zynq Ultrascale+ MPSOC模块
到这里我们的Block Design就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。
然后在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware，将硬件文件导出到新建的vitis文件夹下，最后在菜单栏选择Tools > Launch Vitis，将路径设置到本工程的vitis文件夹下，启动Vitis软件。
软件设计
在Vitis软件中新建名为“qspi_flash_test”的应用工程。然后为应用工程新建一个源文件“main.c”，我们在新建的main.c文件中输入本次实验的代码。代码的主体部分如下所示：
1 #include "xparameters.h" /* Vitis generated parameters */
2 #include "xqspipsu.h" /* QSPIPSU device driver */
3 #include "xil_printf.h"
4 #include "xil_cache.h"
5
6 //定义flash读写命令
7 #define WRITE_STATUS_CMD 0x01
8 #define WRITE_CMD 0x02
9 #define READ_CMD 0x03
10 #define WRITE_DISABLE_CMD 0x04
11 #define READ_STATUS_CMD 0x05
12 #define WRITE_ENABLE_CMD 0x06
13 #define VOLATILE_WRITE_ENABLE_CMD 0x50
14 #define QUAD_MODE_ENABLE_BIT 0x06
15 #define FAST_READ_CMD 0x0B
16 #define DUAL_READ_CMD 0x3B
17 #define QUAD_READ_CMD 0x6B
18 #define BULK_ERASE_CMD 0xC7
19 #define SEC_ERASE_CMD 0xD8
20 #define READ_ID 0x9F
21 #define READ_CONFIG_CMD 0x35
22 #define WRITE_CONFIG_CMD 0x01
23
24 #define READ_CMD_4B 0x13
25 #define FAST_READ_CMD_4B 0x0C
26 #define DUAL_READ_CMD_4B 0x3C
27 #define QUAD_READ_CMD_4B 0x6C
28
29 #define READ_FLAG_STATUS_CMD 0x70
30
31 #define COMMAND_OFFSET 0 //Flash instruction
32 #define ADDRESS_1_OFFSET 1 //数据偏移地址的最高位
33 #define ADDRESS_2_OFFSET 2 //数据偏移地址的中间位
34 #define ADDRESS_3_OFFSET 3 //数据偏移地址的最低位
35 #define ADDRESS_4_OFFSET 4 //数据偏移地址为四字节时 最低位
36
37 #define DATA_OFFSET 5 //Start of Data for Read/Write
38 #define DUMMY_OFFSET 4 //Dummy byte offset for fast, dual and quad reads
39
40 #define DUMMY_SIZE 1 //Number of dummy bytes for fast, dual and quad reads
41
42 #define DUMMY_CLOCKS 8 //Number of dummy bytes for fast, dual and quad reads
43
44 #define RD_ID_SIZE 4 //Read ID command + 3 bytes ID response
45 #define BULK_ERASE_SIZE 1 //Bulk Erase command size
46 #define SEC_ERASE_SIZE 4 //Sector Erase command + Sector address
47 #define BANK_SEL_SIZE 2 //BRWR or EARWR command + 1 byte bank value
48
49 #define RD_CFG_SIZE 2 //1 byte Configuration register + RD CFG command
50
51 #define WR_CFG_SIZE 3 //WRR command + 1 byte each Status and Config Reg
52
53 #define DIE_ERASE_SIZE 4 //Die Erase command + Die address
54
55 #define OVERHEAD_SIZE 4
56
57 //flash基地址
58 #define FLASH1BASE 0x0000000
59
60 //16MB
61 #define SIXTEENMB 0x1000000
62
63 //quad enable mask bit
64 #define FLASH_QUAD_EN_MASK 0x02
65
66 #define FLASH_SRWD_MASK 0x80
67
68 // Bank mask
69 #define BANKMASK 0xF000000
70
71
72 // Identification of Flash
73 // Micron:
74 // Byte 0 is Manufacturer ID;
75 // Byte 1 is first byte of Device ID - 0xBB or 0xBA
76 // Byte 2 is second byte of Device ID describes flash size:
77 // 128Mbit : 0x18; 256Mbit : 0x19; 512Mbit : 0x20
78 #define MICRON_ID_BYTE0 0x20
79 #define MICRON_ID_BYTE2_128 0x18
80 #define MICRON_ID_BYTE2_256 0x19
81 #define MICRON_ID_BYTE2_512 0x20
82 #define MICRON_ID_BYTE2_1G 0x21
83 #define MICRON_ID_BYTE2_2G 0x22
84
85 // Spansion:
86 // Byte 0 is Manufacturer ID;
87 // Byte 1 is Device ID - Memory Interface type - 0x20 or 0x02
88 // Byte 2 is second byte of Device ID describes flash size:
89 // 128Mbit : 0x18; 256Mbit : 0x19; 512Mbit : 0x20
90 #define SPANSION_ID_BYTE0 0x01
91 #define SPANSION_ID_BYTE2_64 0x17
92 #define SPANSION_ID_BYTE2_128 0x18
93 #define SPANSION_ID_BYTE2_256 0x19
94 #define SPANSION_ID_BYTE2_512 0x20
95
96 #define WINBOND_ID_BYTE0 0xEF
97 #define WINBOND_ID_BYTE2_128 0x18
98
99 #define ISSI_ID_BYTE0 0x9D
100 #define ISSI_ID_BYTE2_08 0x14
101 #define ISSI_ID_BYTE2_16 0x15
102 #define ISSI_ID_BYTE2_32 0x16
103 #define ISSI_ID_BYTE2_64 0x17
104 #define ISSI_ID_BYTE2_128 0x18
105 #define ISSI_ID_BYTE2_256 0x19
106 #define ISSI_ID_BYTE2_512 0x1a
107
108 #define QSPIPSU_DEVICE_ID XPAR_XQSPIPSU_0_DEVICE_ID
109
110 //flash页的数量
111 #define PAGE_COUNT 32
112
113 //页大小的最大值
114 #define MAX_PAGE_SIZE 1024
115
116 #define TEST_ADDRESS 0x000000
117
118 #define UNIQUE_VALUE 0x06
119
120 /**************************** Type Definitions *******************************/
121 typedef struct{
122 u32 SectSize; //扇区大小
123 u32 NumSect; //扇区总个数
124 u32 PageSize; //页大小
125 u32 NumPage; //总页数
126 u32 FlashDeviceSize; //一个存储器件的大小
127 u8 ManufacturerID; //制造商ID
128 u8 DeviceIDMemSize; //指出存储容量的器件ID
129 u32 SectMask; //扇区开始地址掩码
130 u8 NumDie; // No. of die forming a single flash
131 } FlashInfo;
132
133 u8 ReadCmd;
134 u8 WriteCmd;
135 u8 StatusCmd;
136 u8 SectorEraseCmd;
137 u8 FSRFlag;
138
139 /************************** Function Prototypes ******************************/
140
141 int QspiPsuPolledFlashExample(XQspiPsu *QspiPsuInstancePtr, u16 QspiPsuDeviceId);
142 int FlashReadID(XQspiPsu *QspiPsuPtr);
143 int FlashErase(XQspiPsu *QspiPsuPtr, u32 Address, u32 ByteCount, u8 *WriteBfrPtr);
144 int FlashWrite(XQspiPsu *QspiPsuPtr, u32 Address, u32 ByteCount, u8 Command,
145 u8 *WriteBfrPtr);
146 int FlashRead(XQspiPsu *QspiPsuPtr, u32 Address, u32 ByteCount, u8 Command,
147 u8 *WriteBfrPtr, u8 *ReadBfrPtr);
148 u32 GetRealAddr(XQspiPsu *QspiPsuPtr, u32 Address);
149 int BulkErase(XQspiPsu *QspiPsuPtr, u8 *WriteBfrPtr);
150 int FlashEnableQuadMode(XQspiPsu *QspiPsuPtr);
151 /************************** Variable Definitions *****************************/
152 u8 TxBfrPtr;
153 u8 ReadBfrPtr[3];
154 FlashInfo Flash_Config_Table[] = {
155 {SECTOR_SIZE_64K, NUM_OF_SECTORS128, BYTES256_PER_PAGE,
156 0x8000, 0x800000, SPANSION_ID_BYTE0,
157 SPANSION_ID_BYTE2_64, 0xFFFF0000, 1}
158 };
159
160 u32 FlashMake;
161 u32 FCTIndex; //闪存配置表的索引
162
163 //QSPI实例
164 static XQspiPsu QspiPsuInstance;
165
166 static XQspiPsu_Msg FlashMsg[5];
167
168 //测试变量 用于产生发送数据
169 int Test = 1;
170
171 //用于存储读写数据的变量
172 u8 ReadBuffer[(PAGE_COUNT * MAX_PAGE_SIZE) + (DATA_OFFSET + DUMMY_SIZE)*8] __attribute__ ((aligned(64)));
173 u8 WriteBuffer[(PAGE_COUNT * MAX_PAGE_SIZE) + DATA_OFFSET];
174 u8 CmdBfr[8];
175
176 u32 MaxData = PAGE_COUNT*256;
177
178 //主函数
179 int main(void)
180 {
181 int Status;
182
183 xil_printf("QSPIPSU Generic Flash Polled Example Test \r\n");
184
185 //调用QspiPsu Polled example
186 Status = QspiPsuPolledFlashExample(&QspiPsuInstance, QSPIPSU_DEVICE_ID);
187 if (Status != XST_SUCCESS) {
188 xil_printf("QSPIPSU Generic Flash Polled Example Failed\r\n");
189 return XST_FAILURE;
190 }
191
192 xil_printf("Successfully ran QSPIPSU Generic Flash Polled Example\r\n");
193 return XST_SUCCESS;
194 }
首先，本次实验的C程序是在官方提供的示例程序“xqspipsu_generic_flash_polled_example.c”的基础上修改得到的，该示例程序演示了如何使用轮询模式对QSPI Flash进行读写操作。
在程序的开头，我们定义了一系列的参数，包括Flash器件的指令、Flash BUFFER中各数据段的偏移量、Flash器件PAGE、SECTOR的数目和大小等信息。这些信息针对不同型号的Flash器件有所不同，需要通过查看器件的数据手册得到。
接下来在程序第141至150行声明了八个函数，这些函数是前面我们提到的示例程序中所提供的。我们对其中的函数QspiPsuPolledFlashExample(XQspiPsu *QspiPsuInstancePtr, u16 QspiPsuDeviceId)、FlashReadID(XQspiPsu *QspiPsuPtr)进行修改，从而简化读写测试过程。而其他的函数如擦除FlashErase( )、写操作FlashWrite( )、读操作FlashRead( )等，改动不大。
程序的主函数特别简单，就是通过调用修改之后的示例函数QspiPsuPolledFlashExample ( )来对Flash进行读写测试，并打印最终的测试结果。下面是该示例函数的代码：
198 int QspiPsuPolledFlashExample(XQspiPsu *QspiPsuInstancePtr, u16 QspiPsuDeviceId)
199 {
200 u8 UniqueValue;
201 int Count;
202 int Page;
203 XQspiPsu_Config *QspiPsuConfig;
204 int ReadBfrSize;
205
206 ReadBfrSize = (PAGE_COUNT * MAX_PAGE_SIZE) +
207 (DATA_OFFSET + DUMMY_SIZE)*8;
208
209 //根据ID查找Qspi配置信息
210 QspiPsuConfig = XQspiPsu_LookupConfig(QspiPsuDeviceId);
211 if (QspiPsuConfig == NULL) {
212 return XST_FAILURE;
213 }
214
215 //初始化Qspi
216 XQspiPsu_CfgInitialize(QspiPsuInstancePtr, QspiPsuConfig,
217 QspiPsuConfig->BaseAddress);
218
219 //设置Options
220 XQspiPsu_SetOptions(QspiPsuInstancePtr, XQSPIPSU_MANUAL_START_OPTION);
221
222 //为qspi时钟设置分频系数
223 XQspiPsu_SetClkPrescaler(QspiPsuInstancePtr, XQSPIPSU_CLK_PRESCALE_8);
224
225 XQspiPsu_SelectFlash(QspiPsuInstancePtr,
226 XQSPIPSU_SELECT_FLASH_CS_LOWER,
227 XQSPIPSU_SELECT_FLASH_BUS_LOWER);
228
229 //读Flash ID
230 FlashReadID(QspiPsuInstancePtr);
231
232
233 //Initialize MaxData according to page size.
234
235 MaxData = PAGE_COUNT * (Flash_Config_Table[FCTIndex].PageSize);
236
237 //使能flash quad模式
238 FlashEnableQuadMode(QspiPsuInstancePtr);
239
242 //Address size and read command selection
243 ReadCmd = QUAD_READ_CMD;
244 WriteCmd = WRITE_CMD;
245 SectorEraseCmd = SEC_ERASE_CMD;
246
247 /* Status cmd - SR or FSR selection */
248 if ((Flash_Config_Table[FCTIndex].NumDie > 1) &&
249 (FlashMake == MICRON_ID_BYTE0)) {
250 StatusCmd = READ_FLAG_STATUS_CMD;
251 FSRFlag = 1;
252 } else {
253 StatusCmd = READ_STATUS_CMD;
254 FSRFlag = 0;
255 }
256
257 for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0;
258 Count < Flash_Config_Table[FCTIndex].PageSize;
259 Count++, UniqueValue++) {
260 WriteBuffer[Count] = (u8)(UniqueValue + Test);
261 }
262
263 for (Count = 0; Count < ReadBfrSize; Count++) {
264 ReadBuffer[Count] = 0;
265 }
266
267 //擦除flash
268 FlashErase(QspiPsuInstancePtr, TEST_ADDRESS, MaxData, CmdBfr);
269
270 for (Page = 0; Page < PAGE_COUNT; Page++) {
271 FlashWrite(QspiPsuInstancePtr,
272 (Page * Flash_Config_Table[FCTIndex].PageSize) + TEST_ADDRESS,
273 Flash_Config_Table[FCTIndex].PageSize,
274 WriteCmd, WriteBuffer);
275 }
276
277 //从flash中读出数据
278 FlashRead(QspiPsuInstancePtr, TEST_ADDRESS, MaxData, ReadCmd,
279 CmdBfr, ReadBuffer);
280
281 //读出的数据和写入的数据对比
282 for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0; Count < MaxData;
283 Count++, UniqueValue++) {
284 if (ReadBuffer[Count] != (u8)(UniqueValue + Test)) {
285 return XST_FAILURE;
286 }
287 }
288
289 return XST_SUCCESS;
290 }
在示例函数中，首先查找QSPI控制器配置信息，接着对控制器驱动进行初始化，如代码的第210行至217行所示。向WriteBuffer中写入数据，然后将WriteBuffer中的数据写到Flash中，如代码第270行至第275行所示。注意在写Flash之前，调用FlashErase( )函数对Flash进行擦除，这是因为Flash写操作只能将1写成0，不能将0写成1，而擦除操作才能将0写成1。
最后，在程序的第282至287行，通过对比写入BUFFER的数据与读BUFFER中的数据是否一致，从而判断Flash读写测试实验是否成功。
程序的剩余部分是前面所声明的一系列操作Flash的函数的实现，因为我们将其当作库函数直接调用，因此代码就不再贴出来了。大家有兴趣的话也可以研究一下，这些函数是如何将读写指令和数据转换成QSPI Flash所要求的命令格式的。实际上，这些函数的功能也都是通过调用xqspipsu.h头文件中的库函数XQspiPsu_PolledTransfer( )来实现的。
下载验证
首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将开发板的USB_UART接口(PS PORT)与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，给开发板供电。
打开Vitis Terminal终端，设置并连接串口。然后下载本次实验的程序，下载完成后，在下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息“Successfully ran QSPIPSU Generic Flash Polled Test”，如下图所示：
图13.5.1 串口打印结果
从图13.5.1中可以看出，本次实验所实现的QSPI Flash读写测试功能，在MPSOC开发板上面下载验证成功。