OSPI Flash（Octal SPI Flash）是一種基于SPI（串行外設(shè)接口）擴(kuò)展的高速串行Flash存儲(chǔ)器，采用8-bit數(shù)據(jù)總線通信方式。相比傳統(tǒng)的SPI或Quad SPI（QSPI），OSPI提供更高的數(shù)據(jù)吞吐率與更優(yōu)的系統(tǒng)性能。OSPI Flash主要應(yīng)用在高性能嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)，圖形界面處理（GUI）/人機(jī)交互界面（HMI），嵌入式AI模型存儲(chǔ)等領(lǐng)域。瑞薩高性能MCU、MPU都提供了功能強(qiáng)大的OSPI接口，它不僅可以工作在8線的高速模式下，還兼容普通的單線（SPI），雙線（DSPI）和四線（QSPI）的多種工作模式和多種協(xié)議模式。

然而面對(duì)廣大不同廠家的OSPI Flash，雖然說大部分功能相似，大部分功能也可以復(fù)用，但是不同廠家的OSPI Flash還是存在或多或少的差別。因此如果客戶出于成本的考慮，需要更換OSPI Flash的時(shí)候，需要做驅(qū)動(dòng)層的適配工作。那如何做OSPI Flash的驅(qū)動(dòng)的適配工作？

下面我以Renesas RA8D1這款高性能MCU為例來說明如何進(jìn)行OSPI Flash驅(qū)動(dòng)的適配工作，總結(jié)成兩篇適配秘籍，可以供客戶參考。公欲善其事，必先懂其基（基本原理），本篇文章先就OSPI的一些工作模式和協(xié)議等基本概念做一個(gè)相對(duì)系統(tǒng)的介紹。后續(xù)的篇章我們將以Winbond W35T51NW OSPI Flash為例來展開具體的驅(qū)動(dòng)的適配工作。請(qǐng)感興趣的讀者持續(xù)關(guān)注！

讀者朋友們可以先了解一下RA8D1的OSPI specifications：

RA8D1的OSPI工作模式：

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1Support Protocol modes below

xSPI規(guī)范支持多種協(xié)議模式，包括1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D、1S-2S-2S、2S-2S-2S、1S-4S-4S、4S-4S-4S等。這些模式主要是基于數(shù)據(jù)傳輸位寬（線數(shù)）和時(shí)鐘模式（SDR/DDR）進(jìn)行區(qū)分。

1協(xié)議模式的基本概念

1S、2S、4S、4D、8D代表了數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的線數(shù)：

○1S（Single Line，單線）：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸1bit數(shù)據(jù)。

○2S（Dual Line，雙線）：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸2bit數(shù)據(jù)（雙線，每根線1bit）。

○4S（Quad Line，四線）：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸4bit數(shù)據(jù)（四線，每根線1bit）。

○4D（Qcta Line，四線DDR）：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸8bit數(shù)據(jù),因?yàn)椴捎肈DR（DDR雙數(shù)據(jù)速率）模式，時(shí)鐘周期的上升沿傳輸4bit數(shù)據(jù)，下降沿傳輸4bit數(shù)據(jù)。

○8D（Octa Line，八線DDR）：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸16bit數(shù)據(jù)，因?yàn)椴捎肈DR（DDR雙數(shù)據(jù)速率）模式，時(shí)鐘周期的上升沿傳輸8bit數(shù)據(jù)，下降沿傳輸8bit數(shù)據(jù)。

SDR（Single Data Rate，單數(shù)據(jù)速率）DDR（Double Data Rate，雙數(shù)據(jù)速率）：

○SDR：僅在時(shí)鐘上升沿傳輸數(shù)據(jù)。

○DDR：在時(shí)鐘上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù)，線數(shù)相同的情況下吞吐量是SDR的2倍。

2具體模式說明

不同模式的主要區(qū)別在于xSPI接口訪問Flash的地址、命令和數(shù)據(jù)階段分別使用多少條數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。

下面以1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D三種協(xié)議模式舉例說明

1S-1S-1S（傳統(tǒng)SPI模式）

○命令、地址、數(shù)據(jù)階段都使用單線傳輸（每個(gè)時(shí)鐘周期1bit）。

○ 這種模式兼容傳統(tǒng)SPI，但傳輸速度較慢。

○優(yōu)點(diǎn)：兼容性好，適用于低速SPI設(shè)備。

4S-4D-4D（Quad SPI DDR模式）

○命令階段：使用4-bit傳輸（相比1S提高4倍）。

○地址階段：使用4-bitDDR傳輸（時(shí)鐘上升沿和下降沿都發(fā)送數(shù)據(jù)）。

○數(shù)據(jù)階段：使用4-bitDDR傳輸，吞吐量更高。

○優(yōu)點(diǎn)：相比1S-1S-1S，吞吐量提高了8倍，適用于高速NORFlash存儲(chǔ)應(yīng)用。

8D-8D-8D（Octa SPI DDR模式）

○命令、地址、數(shù)據(jù)都使用8-bitDDR傳輸。

○ 相比4S-4D-4D，吞吐量翻倍。

○ 適用于極高速NORFlash存儲(chǔ)，如PSRAM、Octa Flash、Octa HyperRAM。

2Configurable address length

支持可配置的地址長度（常見如24-bit或32-bit地址模式）：

24-bit通常用于小于16MB（128Mbit）的Flash；

32-bit用于更大容量的Flash（>16MB）；

3Configurable initial access latency cycle

指訪問延遲周期（Latency Cycle）可配置，在XIP或連續(xù)讀取模式中尤為關(guān)鍵：

設(shè)備允許設(shè)置dummy cycle數(shù)量；

適應(yīng)不同主頻、控制器時(shí)序要求；

優(yōu)化帶寬性能或兼容性。

4Support XiP mode

支持Execute in Place（XIP）模式：

MCU/MPU可將Flash映射入內(nèi)部地址空間；

支持直接讀取并執(zhí)行，不需復(fù)制到RAM；

通常與memory-mapped mode、持續(xù)讀取命令組合使用。

RA8D1的OSPI接口功能：

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1Support Write Data Mask（支持寫數(shù)據(jù)掩碼）

允許在寫入數(shù)據(jù)時(shí)屏蔽某些字節(jié)，使其不被改寫，而其他字節(jié)仍然可以被正常寫入。

這種功能通常用于按位更新存儲(chǔ)器內(nèi)容，而無需先讀取、修改、再寫入完整數(shù)據(jù)。

2Support In-band Reset（支持帶內(nèi)復(fù)位）

通過OSPI總線上的指令或數(shù)據(jù)序列觸發(fā)設(shè)備復(fù)位，而不是依賴額外的硬件復(fù)位引腳。

○ 適用于系統(tǒng)集成度高、不易接觸硬件復(fù)位引腳的應(yīng)用，如嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制設(shè)備。

3Memory-mapping（內(nèi)存映射模式）

OSPI控制器支持將外部Flash設(shè)備的存儲(chǔ)空間直接映射到MCU地址空間，使其像內(nèi)部RAM/ROM一樣被訪問。

1Support up to 256MB address space each CS

（每個(gè)CS支持高達(dá)256MB的地址空間）

在內(nèi)存映射模式下，每個(gè)片選（CS，Chip Select）可支持高達(dá)256MB的存儲(chǔ)空間，這意味著可以使用較大的外部存儲(chǔ)器。

應(yīng)用場(chǎng)景：

○ 適用于大容量代碼存儲(chǔ)（如執(zhí)行XIP（execute In Place）），即代碼直接在Flash中運(yùn)行，而無需拷貝到RAM。

○ 適用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，如日志記錄、固件存儲(chǔ)、AI推理模型等。

2Prefetch function for burst-read with

low latency（預(yù)取功能，提高突發(fā)讀取性能）

在突發(fā)讀取(BurstRead)模式下，OSPI控制器會(huì)提前讀取后續(xù)數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，減少訪問延遲。

應(yīng)用場(chǎng)景：

○ 適用于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，例如高速圖像處理、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）等。

○XIP模式下，可以減少CPU訪問外部Flash的延遲，提高程序運(yùn)行效率。

3Outstanding buffer for burst-write with

high throughput（突發(fā)寫入優(yōu)化，提高吞吐量）

突發(fā)寫入（BurstWrite）時(shí)，OSPI控制器使用Outstanding buffer（寫入緩沖區(qū)），允許CPU快速提交數(shù)據(jù)，而不必等待Flash完成寫入，提高吞吐量。

應(yīng)用場(chǎng)景：

○ 適用于數(shù)據(jù)流量較大的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)記錄、固件升級(jí)、機(jī)器學(xué)習(xí)模型加載等。

4Manual command（手動(dòng)指令模式）

OSPI支持手動(dòng)發(fā)送自定義指令，使其適用于不同廠商的Flash設(shè)備，并提供更靈活的操作方式。

1Configurable up to 4 commands

（可配置最多4條指令）

用戶可以預(yù)設(shè)4條常用指令（如讀、寫、擦除等），減少軟件控制開銷，提高效率。

2Status Register Polling function

（狀態(tài)寄存器輪詢功能）

允許MCU輪詢Flash的狀態(tài)寄存器，以確定Flash是否完成寫入、擦除等操作，避免不必要的等待。

5Input Strobe port timing shift

（輸入同步信號(hào)端口的時(shí)序調(diào)整）

在高速OSPI傳輸中，數(shù)據(jù)可能會(huì)有時(shí)序偏移。這個(gè)功能允許調(diào)整數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘，以確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

應(yīng)用場(chǎng)景：

○ 當(dāng)使用不同的Flash器件時(shí)，可能會(huì)因工藝或PCB布局導(dǎo)致時(shí)序誤差，調(diào)整該參數(shù)可以優(yōu)化信號(hào)完整性。

○ 適用于高速通信場(chǎng)景，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、無線通信設(shè)備等。

下面具體給讀者解讀一下在8D-8D-8D協(xié)議下的時(shí)序圖：

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圖中相關(guān)信號(hào)線的含義如下表所示：

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從上圖可以看到command field的一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿可以采集8位數(shù)據(jù)（因?yàn)橛蠴M_SIO0-OM_SIO7八根線的數(shù)據(jù)，每根線上一位數(shù)據(jù)），下降沿也可以采集8位數(shù)據(jù)，這樣一個(gè)時(shí)鐘周期可以采集16bit的數(shù)據(jù)。同樣的道理地址段兩個(gè)時(shí)鐘周期，可以采集32位數(shù)據(jù)。那么這樣數(shù)據(jù)段的傳輸速率，相比1S-1S-1S協(xié)議提高了16倍。

關(guān)于OSPI Flash適配的內(nèi)功心法就大致介紹完畢。我們將在下一個(gè)篇章推出具體的Octa Flash適配的移形換位大法。請(qǐng)感興趣的讀者，持續(xù)關(guān)注我們的#瑞薩嵌入式小百科公眾號(hào)。