11.4.2. 功能描述

11.4.2.1. 传输模式

SPI支持4种不同的传输模式，由外设决定使用某种传输模式，可以通过SPI_TCFG.CPOL配置时钟极性， SPI_TCFG.CPHA配置时钟相位。SPI控制器根据SPI_CLK信号从移位寄存器中读取或写入数据，在任意一种传输格式下被锁存。在时钟相位为0，极性为0或者相位为1，极性为1的模式下，输出数据在时钟的下降沿采样，上升沿移位；在时钟相位为0，极性为1或者相位为1，极性为0模式下，输出数据在时钟的上升沿采样，下降沿移位。

CPOL定义了SPI_CLK为空闲状态时的信号极性：

当CPOL为1，SPI_CLK为高电平；
当CPOL为0，SPI_CLK为低电平。

CPHA的状态决定了SPI_CLK在第一个时钟边沿采样数据还是保持数据：

当CPHA为1，在第一个时钟边沿保持数据；
当CPHA为0，在第一个时钟边沿采样数据。

下表总结了4种不同的传输模式：

表 11.1 传输模式
SPI传输模式	CPOL（极性）	CPHA（相位）	第一个边沿	第二个边沿
0	0	0	上升沿采样	下降沿保持
1	0	1	上升沿保持	下降沿采样
2	1	0	下降沿采样	上升沿保持
3	1	1	下降沿保持	上升沿采样

4种传输模式的流程图如下：

11.4.2.2. 工作模式

SPI控制器默认工作在从机模式下，当配置SPI_GCR寄存器的bit1位域为1，选择主机模式。

在主机模式下，控制器产生SPI_CLK时钟发送给外部设备，数据从TX FIFO传送到MOSI PIN，通过MISO引脚接收从机发来的数据传送给RX FIFO。在数据传输过程中，片选信号必须为低电平。片选信号可以通过寄存器配置为自动控制还是软件控制，当SPI_TCFG.CS_CTL_SEL字段为0，控制器自动控制片选信号；当SPI_TCFG.CS_CTL_SEL字段为1，则用软件手动控制片选信号，此时配置SPI_TCFG.CS_LEVEL决定片选信号的状态。

在从机模式下，控制器的时钟由外部主机的时钟决定，从机模式可以配置为Dual I/O或Quad I/O模式。支持中断模式，系统DMA模式，控制器内部DMA模式。当系统带宽紧张时，推荐使用控制器内部DMA模式。

11.4.2.3. 总线模式

SPI三线模式

SPI三线模式仅当SPI工作在主机模式时有效，该模式下数据的输入和输出都使用相同的数据信号线SPI_MOSI。可以通过配置寄存器SPI_BMTC.BMOD_SEL字段为0x2，使用三线数据传输模式。三线模式时序图如下：

注意：三线模式默认是以位为单位的模式传输，通过配置SPI_TCFG.3WIRE_EN,可以支持以字节为单位的模式传输。

SPI双路输入/输出模式

SPI双路输入/双路输出模式是指传输通过两根信号线（SPI_MOSI和SPI_MISO）进行发送或接收数据，传输速率是标准单路SPI模式的两倍。此时，命令/地址/填充数据通过MOSI线传输，有效数据通过2根信号线同时传输。双路输入/输出模式时序图如下：

../../../_images/qspi_dual_input_output.png

SPI双路I/O模式

SPI双路I/O模式与前者的区别是地址，填充数据和有效数据都通过两根信号线进行传输，命令通过MOSI进行单线传输。两种模式都是通过配置寄存器SPI_TMC.DUAL_EN字段为1进行选择。双路IO模式的时序图如下：

SPI四路输入/输出模式

SPI四路输入输出模式是指数据通过4根信号线（MOSI/MISO/WP/HOLD）进行发送或接收，此时传输速率是标准SPI模式的4倍。此时，命令/地址/填充数据通过MOSI单线传输，有效数据通过4根信号线同时传输。该模式通过配置寄存器SPI_TMC.QUAD_EN为1进行选择，四路输入/输出模式的时序图如下：

../../../_images/qspi_quad_input_output.png

SPI四路I/O模式

SPI四路I/O模式与四路输入输出模式类似，区别在于地址信号和数据信号全都使用4线传输。同时，device 支持快速读模式，该模式下只需要发送一次读命令，后续操作可以跳过读命令，只要CS信号拉低，在此期间发送地址即可读取数据。同时，该传输下支持带回环功能的突发读配置，支持的突发长度为8/16/32/64字节，常用于XIP工作模式。下图为四路I/O模式时序图。当模式byte的bit[5:4]=2b’10时，工作在读命令bypass模式，下一笔读操作不需要发送读命令。

SPI QPI模式

QPI模式命令，地址和数据全部使用4线传输。QPI模式不是标准的SPI模式，与标准SPI模式之间需要使用命令进行切换。QPI模式也支持突发传输配置。时序图如下：

SPI突发传输配置

当SPI工作在Quad I/O模式下，可以进行带回环的突发传输（Burst With Wrap），通过发送配置突发传输命令，经过三个dummy周期，通过修改mode byte的bit[6:4]配置相应的突发类型和突发长度。该配置常用于XIP访问模式下，CPU进行cache操作，可以提高总线的传输效率，提高代码的执行性能。当CPU使用Cache，并开启预取功能，突发传输类型配置为WRAP，突发传输长度配置为32byte。

Bit[6:4]	突发类型	突发长度
3b’001	Linear	取决与Flash容量
3b’000	WRAP	8个字节
3b’010	WRAP	16个字节
3b’100	WRAP	32个字节
3b’110	WRAP	64个字节

当SPI工作在QPI模式，突发传输配置命令与标准模式下的命令不同，增加了频率相关的dummy bytes数量的配置。对于QPI模式，不同厂家的突发传输配置方式或许不同，需要参考具体厂家的芯片规格书。举例Winbond的W25Q128JW芯片定义如下：

Bit[5:4]	Dummy时钟周期数	Bit[1:0]	WRAP长度
2b’01	4（80MHz）	2b’01	16个字节
2b’10	6（104MHz）	2b’10	32个字节
2b’11	8（133MHz）	2b’11	64个字节

11.4.2.4. XIP模式

在主机模式下，可以配置SPI0控制器工作在XIP模式，即AXI可以直接读取SPI的物理地址空间，就像访问内存空间一样，常用于XIP启动。此时，SPI的物理地址需要映射为AXI可访问地址。实现AXI直接访问模式，主要包括两个模块：

AXI slave模块：用于和AXI master进行通讯，并将地址和数据信息转换为SPI的地址和数据内容；
AXI数据缓存：AXI的TX buffer用于缓存AXI发送到SPI的命令和地址，RX buffer用于缓存从SPI接收回来的数据。

XIP模式传输

通过配置寄存器使能XIP模式传输，该功能主要用于XIP启动和读取部分不常用的代码数据，CPU直接从QSPI 取指令和数据，不用将数据拷贝到SRAM再读取。

对于XIP启动，CPU通过AXI直接访问QSPI的映射地址进行取指令。在引导启动阶段使用AHB的方式初始化QSPI，随后跳转到QSPI映射空间的起始地址进行取指令。

控制器支持8/16/32/64字节的突发长度配置，可用于XIP模式。XIP的传输流程如下：

系统上电后，在brom中通过AHB访问的方式，配置基本的SPI NOR初始化信息，使能SPI NOR工作在Quad模式；
CPU通过AXI master发起读请求取指令，AXI slave接收到读请求，获取地址信息和突发传输类型和长度；
XIP控制器从寄存器SPI_BTR和SPI_RCC寄存器获取固定的数据传输格式，该方式仅支持Quad I/O和QPI模式；
QSPI控制器按照解析的格式进行数据传输，读取指令或数据信息并缓存到内部AXI RX buffer；
当AXI RX buffer满时，AXI slave将ready信号拉高，CPU的AXI master开始取数据；
以上，完成一次读操作。

当开启Cache功能，CPU每次读取4*64bit数据，相当于一条cache line的大小，此时只需要配置一次SPI NOR 的突发长度即可，每次cache读取数据都会使用固定的突发长度，且突发类型为WRAP模式。

如果SPI NOR配置为读命令bypass模式，之后的读操作不需要再发送读命令。

11.4.2.5. 连续传输

在主机模式下，SPI可以进行连续数据传输，即发送或接收数据以字节为单位进行多个字节连续传输。发送数据的连续传输字节长度通过寄存器SPI_TWC.TXD_CNT字段配置。在单路模式下，连续传输的长度通过寄存器SPI_TMC.STXD_CNT字段配置。

对于填充数据，SPI控制器会自动发送，它的连续传输长度通过配置寄存器SPI_TMC.DMY_CNT字段配置。如果不希望控制器自动传输填充数据，可以将填充数据作为发送数据一起写入寄存器SPI_TWC.TXD_CNT字段。

在主机模式下，所有数据的突然传输长度配置在寄存器SPI_TBC.TB_CNT字段，当所有的发送数据和接收数据连续传输完成后，上述的配置字段都会被清零。

11.4.2.6. 采样模式

SPI控制器的接口时钟频率范围为3kHz~100MHz。在主机模式下，内部的SPI时钟频率与外部接口的时钟频率一致。 SPI时钟根据不同的时钟源工作在不同的模式下，主要有3种时钟模式：正常采样模式，延时半周期采样模式，延时1个周期采样模式。 SPI控制器默认工作在延时半个周期的采样模式。不同的采样模式配置见下表：

表 11.2 采样模式配置
采样模式	RXDLY_DIS位	RXINDLY_EN位	时钟频率范围
正常模式	1	0	<= 24MHz
延时半个周期采样	0	0	24 ~ 48MHz
延时一个周期采样	0	1	48 ~ 100MHz

注意：采样模式与时钟频率的关系不是唯一确定的，取决于传输路径的延时时间，用户可根据实际情况选择合适的配置。

11.4.2.7. 位模式传输

SPI位模式传输是以位为单位进行数据传输，用于对SPI接口的非Flash类型的外设进行访问，兼容更多的SPI的设备。

位模式分为标准模式和三线模式。通过配置SPI_BMTC寄存器的BMOD_SEL位域，选择两种不同的工作模式。通过配置SPI_BMCLK寄存器选择位模式下的工作时钟。

位模式一次最大传输的位数为32bit，对于写操作，将待发送数据写入到SPI_BMTXD寄存器，并通过 SPI_BMTC.BM_TXCNT配置写有效数据的长度；对于读操作，通过SPI_BMTC.BM_RXCNT配置读有效数据的长度，读到的数据会自动存入SPI_BMRXD寄存器。使能BM_START寄存器启动数据传输，传输完成后BM_TD寄存器会置1，也可以使能BM_TD_INTE完成中断，在中断服务程序中检查数据传输完成标志。

11.4.2.8. 错误状态

对于SPI控制器，发生任何一种错误，硬件都会将SPI中断状态寄存器中对应的位置1并停止传输，主要的错误状态描述如下：

TX_FIFO下溢出

TX_FIFO下溢出发生在从空的FIFO中读取数据。在这种情况下，SPI控制器会停止传输并将对应的中断状态位TF_UDF置1，此时SPI控制器会产生一个硬件中断信号，处理完该异常后需要软件将该状态位清零。如果开始新的数据传输，需要在SPI_CFG寄存器中将CTRL_RST位置1，将FIFO进行复位。

TX_FIFO上溢出

TX_FIFO上溢出发生在向满的FIFO中发送数据。在这种情况下，SPI控制器会停止传输并将对应的中断状态位TF_OVF置1，此时SPI控制器会产生一个硬件中断信号，处理完该异常后需要软件将该状态位清零。如果开始新的数据传输，需要在SPI_CFG寄存器中将CTRL_RST位置1，将FIFO进行复位。

RX_FIFO下溢出

RX_FIFO下溢出发生在从空的FIFO中读取数据。在这种情况下，SPI控制器会停止传输并将对应的中断状态位RF_UDF置1，此时SPI控制器会产生一个硬件中断信号，处理完该异常后需要软件将该状态位清零。如果开始新的数据传输，需要在SPI_CFG寄存器中将CTRL_RST位置1，将FIFO进行复位。

RX_FIFO上溢出

RX_FIFO上溢出发生在向满的FIFO中发送数据。在这种情况下，SPI控制器会停止传输并将对应的中断状态位RF_OVF置1，此时SPI控制器会产生一个硬件中断信号，处理完该异常后需要软件将该状态位清零。如果开始新的数据传输，需要在SPI_CFG寄存器中将CTRL_RST位置1，将FIFO进行复位。