概念

SPI 高速全双工通信总线

SPI有四根线：

SDO：数据输出-主设备数据输出，从设备数据输入

SDI:数据输入-主设备数据输入，从设备数据输出

SCLK：时钟信号-由主设备产生

CS：片选信号，主设备控制

通信过程

2.1 基本通信过程

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

观察图中的标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

2.2 CPOL/CPHA及通讯模式

SPI的四种模式

时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。

时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。

四种模式是组合而来：

第一步是时钟极性CPOL决定空闲时的时钟线是高电平还是低电平，有个两种情。

第二步时钟相位CPHA决定数据线上的信号将会在奇数边沿或是偶数边沿采样，有两种情况。

上述情况合在一起共有四种SPI模式

三、扩展SPI协议（Single/Dual/Quad/Octal SPI）

以上介绍的是经典SPI协议的内容，这种也被称为标准SPI协议（Standard SPI）或单线SPI协议（Single SPI），其中的单线是指该SPI协议中使用单根数据线MOSI进行发送数据，单根数据线MISO进行接收数据。

为了适应更高速率的通讯需求，半导体厂商扩展SPI协议，主要发展出了Dual/Quad/Octal SPI协议，加上标准SPI协议（Single SPI），这四种协议的主要区别是数据线的数量及通讯方式，具体见表格 22‑1。

扩展的三种SPI协议都是半双工的通讯方式，也就是说它们的数据线是分时进行收发数据的。例如，标准SPI（Single SPI）与双线SPI（Dual SPI）都是两根数据线，但标准SPI（Single SPI）的其中一根数据线只用来发送，另一根数据线只用来接收，即全双工；而双线SPI（Dual SPI）的两根线都具有收发功能，但在同一时刻只能是发送或者是接收，即半双工，四线SPI（Quad SPI）和八线SPI（Octal SPI）与双线SPI（Dual SPI）类似，只是数据线量的区别。

四、SDR和DDR模式

扩展的SPI协议还增加了SDR模式（单倍速率Single Data Rate）和DDR模式（双倍速率Double Data Rate）。例如在标准SPI协议的SDR模式下，只在SCK的单边沿进行数据传输，即一个SCK时钟只传输一位数据；而在它的DDR模式下，会在SCK的上升沿和下降沿都进行数据传输，即一个SCK时钟能传输两位数据，传输速率提高一倍。

五、FlexSPI特性及架构

RT1050的FlexSPI就是针对SPI协议设计的一个超级灵活SPI外设，现在也将FlexSPI应用在NXP新产品，用于高速访问片外存储器。

5.1特点

Single/Dual/Quad/Octal 模式的传输（即1/2/4/8 根数据线的传输）。
支持SDR/DDR通讯模式，在SDR模式下，它仅支持SPI 中的模式0（CPOL=0， CPHA=0)，即SCK 空闲时为低电平，采样时刻为奇数边沿的模式。
支持读写单个串行FLASH以及读写多个并联的串行FLASH 的模式（Individual Mode及Parallel Mode）。
支持把存储器地址映射至通过AHB总线读写，即后面说明的AHB命令模式。
支持以下多种模式以适配不同的功耗状态：模块关闭模式（Module Disable mode）、打盹儿模式（Doze mode）、停止模式（Stop mode）以及正常模式（Normal mode）。
最多支持4个存储设备，每个存储设备最大容量为4GB，不过要注意如果同时使用FlexSPI外接多个存储设备，那么这些存储设备容量的总和也不能超过4GB。

FlexSPI外设包含有A/B两组SPI通讯接口，即图 22‑5中第①部分IO_CTL（IO控制逻辑）引出的“SPI Bus FA port”和“SPI Bus FB port”。每组接口最多可外接2个设备，即A1、A2、B1和B2，具体引脚说明可查阅《IMXRT1050RM》（参考手册），以它为准。

5.2 指令查找表LUT

访问FLASH存储器通常包含一些读写功能的的控制指令，主控设备可通过这些指令访问FLASH存储器。

为了适应这种需求，FlexSPI外设中包含有一个指令查找表LUT（Look Up Table），即图 22‑5中第②部分SEQ_CTL（序列控制逻辑）的主要内容，它用来预存储访问外部设备时可能使用到的指令，需要对FLASH进行访问时，FlexSPI会从查找表LUT中获取相应的指令然后通过SPI接口对FLASH发起通讯。

该图中的第①部分是查找表LUT视图，它表示查找表LUT有0~N个序列；第②部分是序列视图，它表示1个序列中包含有8个指令；第③部分是指令视图，表示指令由opcode（指令编码）、num_pads（数据线的数目）、operand(指令参数)三个寄存器域构成。这些指令的存储位置是FlexSPI外设中的寄存器LUT0~LUT63，每个LUT寄存器可以缓存2个指令，即1个指令序列（8个指令）由4个寄存器构成，这些寄存器构成了一个完整的LUT表。

LUT寄存器的各个域说明如下：

OPCODE：指令编码，这是由FlexSPI定义的一些基本指令码，如向FLASH发送控制命令的CMD_SDR指令OPCODE为0x01；发送行地址到FLASH的指令OPCODE为0x02，诸如此类。

NUM_PADS：进行SPI通讯时使用的数据线的数目，它的可用参数为：

0x0：Single模式

0x1：Dual模式

0x2：Quad模式

0x3：Octal模式

OPERAND：指令参数，部分OPCODE指令包含参数，这些参数就由OPERAND设定，参数的具体作用由相应的OPCODE决定。

值得注意的内容说明如下：

1. 数据线的数目由NUM_PADS指定。不同的指令可以通过它自身的NUM_PADS域来指定，因此不同指令可以使用不同的数据线数目。在应用中一些FLASH存储器的命令只使用一根数据线（Single模式），而快速读写的命令则可支持Dual、Quad模式，此时针对命令使用不同的NUM_PADS进行定制即可。

2. OPERAND参数在不同指令下作用不同：

对于CMD_SDR指令，它的功能是向FLASH发送命令代码，此时要发送的FLASH命令代码就是CMD_SDR指令的参数，即由OPERAND域指定（请注意区分FLASH命令和OPCODE）。例如W25Q256型号的FLASH的读取ID命令代码为0xAB，当RT1052要读取FLASH的ID时，利用CMD_SDR指令同时把命令代码0xAB赋予到OPERAND域，这样FlexSPI控制的时候就会通过SPI接口把FLASH命令0xAB发送出去了。

5.3命令仲裁器

图 22‑5中第③部分是ARB_CTL（仲裁器逻辑），它主要用来决定执行哪一套命令。在其后有一个AHB_CTL（AHB命令控制逻辑）和IP_CTL（IP命令控制逻辑），它们分别代表了内核对FlexSPI的两种控制方式，该仲裁器逻辑就是决定它们谁拥有对前面逻辑单元（SEQ_CTL和IO_CTL）的控制权。

5.4 IP命令控制逻辑

图 22‑5中第④部分IP_CTL是IP命令控制逻辑，它包含IP_RX_FIFO和IP_TX_FIFO用来缓冲收发的数据，它们均为16*64Bits大小。IP_CTL连接至32位的ARM IP总线，通过它可以向ARB_CTL（仲裁器逻辑）发送控制命令，从而利用FlexSPI访问外部SPI设备。IP命令实际上就是内核通过访问外设寄存器的方式控制外设，FlexSPI外设的寄存器大都是为这种控制方式服务的，包括IP_RX_FIFO和IP_TX_FIFO都是以寄存器的形式提供给用户进行访问，这种方式其实与前面的GPIO、LPI2C、LPUART等外设的控制方式一样，这样命名主要是为了与后面的AHB命令方式进行区分。

IP命令的控制流程如下：

往IP_TX_FIFO填充要传输的数据；

通过IPCR0寄存器设置要写入的FLASH内部存储单元的首地址，要传输的数据大小以及要执行的LUT命令序列的编号；

对寄存器IPCMD的TRG位置1触发FlexSPI访问；

检查寄存器INTR的IPCMDDONE位以等待至FlexSPI外设执行完该指令；

若执行的命令序列有会接收数据，那么接收到的数据会被缓存至IP_RX_FIFO中。

5.5 AHB命令控制逻辑

⑤部分AHB_CTL是AHB命令控制逻辑，它包含有128*64Bits大小的AHB_RX_BUF和8*64Bits大小的AHB_TX_BUF用来缓冲收发的数据，AHB_CTL连接至64位的AHBP总线，通过它可以向ARB_CTL（仲裁器逻辑）发送控制命令，从而FlexSPI访问外部SPI设备。

使用AHB命令的方式是直接访问RT1052内部的0x600 0000-0x1000 0000地址，对这些地址的读写访问会触发FlexSPI产生SPI控制时序，然后对连接的FLASH内部存储单元进行读写，这种功能称为地址映射。

例如可以把外部NOR Flash存储器的内部地址0x0映射到RT1052的0x60000000地址，初始化好FlexSPI后，当我们直接使用指针读取RT1052的0x60000000地址的内容时，会自动触发FlexSPI外设访问外部的NOR Flash存储器的0x0地址获得数据，访问时它会自动使用AHB_RX_BUF及AHB_TX_BUF缓冲数据。

AHB命令仅支持对FLASH存储单元的读写访问，对FLASH存储器的工作模式或状态寄存器的读取需要使用IP命令实现。

特别地，对IP命令的两个FIFO也可以通过地址映射来访问，其中 IP_RX_FIFO映射至0x7FC00000 -0x10000200地址，而IP_TX_FIFO映射至0x7F800000 -0x11000400地址。