【正点原子FPGA连载】第十一章QSPI Flash读写测试实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

正点原子 · 发表于 2020-7-27 11:36:05

本帖最后由正点原子于 2020-10-24 10:24 编辑

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第十一章QSPI Flash读写测试实验

Quad-SPI Flash控制器是PS内部输入/输出外设（IOP）的一部分，用来访问多位串行Flash存储器件，适合于使用较少的引脚数目达到较高数据带宽的应用场景。
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：
1111.1简介
11.2实验任务
11.3硬件设计
11.4软件设计
11.5下载验证

11.1简介
ZYNQ中的QSPI Flash控制器可以工作在三种模式下：I/O模式、线性地址模式，以及传统SPI模式。
在I/O模式中，软件负责实现Flash器件的通信协议。软件需要将Flash命令和数据写到控制器中的TXD寄存器中，然后将接收到的数据从RXD寄存器中读出。
而线性地址模式则使用一组器件操作来减小软件从Flash中读取数据的开销。线性模式使用硬件来实现来自AXI接口的命令到Flash指令的转换。对用户来说，在线性模式下读QSPI Flash就像读取ROM一样简单。但是该模式只支持读操作，不支持写操作。
传统模式下的QSPI Flash控制器就像一个普通的SPI控制器，这个模式用的相对较少。
QSPI Flash控制器的系统框图如下所示：

图 11.1.1 QSPI系统框图

从图 11.1.1中可以看到，QSPI Flash控制器通过MIO与外部Flash器件连接，支持三种模式：单个从器件模式、双从器件并行模式和双从器件堆模式。通过使用双从器件模式可以扩展QSPI Flash的存储容量。
在使用单个器件的时候，直接存储访问Flash器件的地址映射FC00_0000到FCFF_FFFF（16MB）。在使用双器件模式时，地址空间可以扩展为FC00_0000至FDFF_FFFF（32MB）。
另外，在上图中可以看到控制器左侧有两种类型的接口：AXI接口和APB接口。其中AXI接口用于线性地址模式，而APB接口用于I/O模式。
QSPI Flash控制器的模块示意图如图 11.1.2所示。从中我们可以清晰的看出QSPI Flash控制器两种模式的差异。由于线性地址模式不支持写操作，因此本次实验重点介绍I/O模式。
在I/O模式下，软件需要把命令和数据转化成QSPI Flash协议下的指令，转换之后的指令将被写入Tx FIFO。然后发送逻辑将Tx FIFO中的内容按照QSPI接口规范进行并串转换，最后通过MIO将转换后的数据送到Flash存储器中。在发送逻辑将Tx FIFO中的数据发送出去的同时，接收逻辑会采样所发送的串行数据，进行串并转换后存储到Rx FIFO里面。
如果执行的是读操作，在发送读指令和读地址之后，MIO会在发送逻辑的控制下由输出模式切换成输入模式，从Flash中读出的数据将被存储丰Rx FIFO中。由于Rx FIFO中会同时接收由软件发出的指令，因此我们需要对Rx FIFO中的原始数据进行过滤，从而得到从Flash中读出的有效数据。

图 11.1.2 QSPI Flash控制器功能框图

11.2实验任务
本章的实验任务是使用QSPI Flash控制器，先后对领航者核心板上的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。
11.3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 11.3.1 系统框图

从图 11.3.1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_rw_test”，然后创建Block Design设计（system.bd）并添加ZYNQ7 Processing System模块。接下来按照《“Hello World”实验》中的步骤对ZYNQ PS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 11.3.2 QSPI配置界面

如图 11.3.2所示，在左侧导航栏中选择“Peripheral I/O Pins”，然后在右侧勾选“Quad SPI Flash”，并选择“Single SS 4bit IO”模式。“Single SS 4bit IO”指的是单个从器件模式，其中“SS”为“Slave Select”的缩写。看以看出，该模式下控制器使用了MIO1至MIO6共6个引脚。
最后点击右下角的“OK”，本次实验ZYNQ处理系统就配置完成了。接下来在Diagram窗口中选择自动连接PS模块端口，连接完成后模块如下图所示：

图 11.3.3 ZYNQ7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导出硬件，最后在菜单栏选择File > Launch SDK，启动SDK软件。
11.4软件设计
在SDK软件中新建一个BSP工程和一个空的应用工程，应用工程名为“qspi_Flash_test”。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" /* SDK generated parameters */
2 #include "xqspips.h" /* QSPI device driver */
3 #include "xil_printf.h"
4
5 #define QSPI_DEVICE_ID XPAR_XQSPIPS_0_DEVICE_ID
6
7 //发送到Flash器件的指令
8 #define WRITE_STATUS_CMD 0x01
9 #define WRITE_CMD 0x02
10 #define READ_CMD 0x03
11 #define WRITE_DISABLE_CMD 0x04
12 #define READ_STATUS_CMD 0x05
13 #define WRITE_ENABLE_CMD 0x06
14 #define FAST_READ_CMD 0x0B
15 #define DUAL_READ_CMD 0x3B
16 #define QUAD_READ_CMD 0x6B
17 #define BULK_ERASE_CMD 0xC7
18 #define SEC_ERASE_CMD 0xD8
19 #define READ_ID 0x9F
20
21 //Flash BUFFER中各数据的偏移量
22 #define COMMAND_OFFSET 0 // Flash instruction
23 #define ADDRESS_1_OFFSET 1 // MSB byte of address to read or write
24 #define ADDRESS_2_OFFSET 2 // Middle byte of address to read or write
25 #define ADDRESS_3_OFFSET 3 // LSB byte of address to read or write
26 #define DATA_OFFSET 4 // Start of Data for Read/Write
27 #define DUMMY_OFFSET 4 // Dummy byte offset for reads
28
29 #define DUMMY_SIZE 1 // Number of dummy bytes for reads
30 #define RD_ID_SIZE 4 // Read ID command + 3 bytes ID response
31 #define BULK_ERASE_SIZE 1 // Bulk Erase command size
32 #define SEC_ERASE_SIZE 4 // Sector Erase command + Sector address
33
34 #define OVERHEAD_SIZE 4 // control information: command and address
35
36 #define SECTOR_SIZE 0x10000
37 #define NUM_SECTORS 0x100
38 #define NUM_PAGES 0x10000
39 #define PAGE_SIZE 256
40
41 /* Number of Flash pages to be written.*/
42 #define PAGE_COUNT 16
43
44 /* Flash address to which data is to be written.*/
45 #define TEST_ADDRESS 0x00055000
46 #define UNIQUE_VALUE 0x05
47
48 #define MAX_DATA (PAGE_COUNT * PAGE_SIZE)
49
50 void FlashErase(XQspiPs *QspiPtr, u32 Address, u32 ByteCount);
51 void FlashWrite(XQspiPs *QspiPtr, u32 Address, u32 ByteCount, u8 Command);
52 void FlashRead(XQspiPs *QspiPtr, u32 Address, u32 ByteCount, u8 Command);
53 int FlashReadID(void);
54 void FlashQuadEnable(XQspiPs *QspiPtr);
55 int QspiFlashPolledExample(XQspiPs *QspiInstancePtr, u16 QspiDeviceId);
56
57 static XQspiPs QspiInstance;
58
59 int Test = 5;
60
61 u8 ReadBuffer[MAX_DATA + DATA_OFFSET + DUMMY_SIZE];
62 u8 WriteBuffer[PAGE_SIZE + DATA_OFFSET];
63
64 int main(void)
65 {
66 int Status;
67
68 xil_printf("QSPI Flash Polled Example Test \r\n");
69
70 /* Run the Qspi Interrupt example.*/
71 Status = QspiFlashPolledExample(&QspiInstance, QSPI_DEVICE_ID);
72 if (Status != XST_SUCCESS) {
73 xil_printf("QSPI Flash Polled Example Test Failed\r\n");
74 return XST_FAILURE;
75 }
76
77 xil_printf("Successfully ran QSPI Flash Polled Example Test\r\n");
78 return XST_SUCCESS;
79 }

复制代码

首先，本次实验的C程序是在官方提供的示例程序“xqspips_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50至55行声明了六个函数，这些函数是前面我们提到的示例程序中所提供的。我们对其中最后一个函数QspiFlashPolledExample(XQspiPs *QspiInstancePtr, u16 QspiDeviceId)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，我们可以将其当作库函数来使用。
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QspiFlashPolledExample( )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：

81 int QspiFlashPolledExample(XQspiPs *QspiInstancePtr, u16 QspiDeviceId)
82 {
83 int Status;
84 u8 *BufferPtr;
85 u8 UniqueValue;
86 int Count;
87 int Page;
88 XQspiPs_Config *QspiConfig;
89
90 //初始化QSPI驱动
91 QspiConfig = XQspiPs_LookupConfig(QspiDeviceId);
92 XQspiPs_CfgInitialize(QspiInstancePtr, QspiConfig, QspiConfig->BaseAddress);
93 //初始化读写BUFFER
94 for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0; Count < PAGE_SIZE;
95 Count++, UniqueValue++) {
96 WriteBuffer[DATA_OFFSET + Count] = (u8)(UniqueValue + Test);
97 }
98 memset(ReadBuffer, 0x00, sizeof(ReadBuffer));
99
100 //设置手动启动和手动片选模式
101 XQspiPs_SetOptions(QspiInstancePtr, XQSPIPS_MANUAL_START_OPTION |
102 XQSPIPS_FORCE_SSELECT_OPTION |
103 XQSPIPS_HOLD_B_DRIVE_OPTION);
104 //设置QSPI时钟的分频系数
105 XQspiPs_SetClkPrescaler(QspiInstancePtr, XQSPIPS_CLK_PRESCALE_8);
106 //片选信号置为有效
107 XQspiPs_SetSlaveSelect(QspiInstancePtr);
108 //读Flash ID
109 FlashReadID();
110 //使能Flash Quad模式
111 FlashQuadEnable(QspiInstancePtr);
112 //擦除Flash
113 FlashErase(QspiInstancePtr, TEST_ADDRESS, MAX_DATA);
114 //向Flash中写入数据
115 for (Page = 0; Page < PAGE_COUNT; Page++) {
116 FlashWrite(QspiInstancePtr, (Page * PAGE_SIZE) + TEST_ADDRESS,
117 PAGE_SIZE, WRITE_CMD);
118 }
119 //使用QUAD模式从Flash中读出数据
120 FlashRead(QspiInstancePtr, TEST_ADDRESS, MAX_DATA, QUAD_READ_CMD);
121
122 //对比写入Flash与从Flash中读出的数据
123 BufferPtr = &ReadBuffer[DATA_OFFSET + DUMMY_SIZE];
124 for (UniqueValue = UNIQUE_VALUE, Count = 0; Count < MAX_DATA;
125 Count++, UniqueValue++) {
126 if (BufferPtr[Count] != (u8)(UniqueValue + Test)) {
127 return XST_FAILURE;
128 }
129 }
130
131 return XST_SUCCESS;
132 }

复制代码

在示例函数中，首先对QSPI Flash控制器驱动进行初始化。然后对读写BUFFER进行初始化，初始化完成后WriteBuffer中为需要写入Flash的测试数据；而ReadBuffer则全部清零，准备用于接收从Flash中读回的数据，进而与WriteBuffer中的数据进行对比。
接下来，通过调用xqspips.h头文件中的库函数来对QSPI Flash控制器进行配置。将其配置成手动启动和手动片选模式，并将片选信号置为有效状态。QSPI Flash控制器在I/O模式下，有两种流控（Flow Control）方法：手动模式和自动模式。手动模式下，将由用户来控制数据传输的开始。而在手动模式下，又分为“手动片选”和“自动片选”，它们指的是片选信号的控制权。自动片选所传输的数据量受限于Tx FIFO的深度，而手动片选更适合批量数据的传输。片选信号置为有效状态意味着Flash传输序列的开始。
在程序的108至120行，我们调用示例程序“xqspips_Flash_polled_example.c”所提供的函数，来执行一系列Flash操作，包括读Flash ID、使能Flash Quad模式、擦除Flash等。其中最核心的是通过FlashWrite( )函数向Flash指定地址写入测试数据，然后通过FlashRead( )函数将数据从该地址读出，放至读BUFFER中。
最后，在程序的122至129行，通过对比写BUFFER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xqspips.h头文件中的库函数XQspiPs_PolledTransfer( )来实现的。
11.5下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验软件程序，下载完成后，在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息如下图所示：

图 11.5.1 串口打印结果

从图 11.5.1中可以看出，本次实验所实现的QSPI Flash读写测试功能，在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。

armok. · 发表于 2020-8-3 19:10:20

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