QSPI、OSPI與FSMC的區別與內存映射分析

基本概念與區別

1. FSMC (靈活靜態存儲控制器)

• 接口類型：并行接口，通常8/16位數據總線
• 總線標準：傳統并行總線協議
• 速度：相對較低，通常最高約100MHz
• 應用場景：SRAM、NOR Flash、PSRAM、LCD等并行接口外設

2. QSPI (四線串行外設接口)

• 接口類型：串行接口，1/2/4線數據傳輸
• 總線標準：SPI協議的擴展
• 速度：中等，通常最高約108MHz，有效帶寬達到50MBytes/s (4線x108MHz/8位)
• 應用場景：Serial NOR Flash、EEPROM等

3. OSPI (八線串行外設接口)

• 接口類型：串行接口，1/2/4/8線數據傳輸
• 總線標準：QSPI的擴展，兼容QSPI
• 速度：較高，通常最高約200MHz，有效帶寬可達到200MBytes/s (8線x200MHz/8位)
• 應用場景：高速Serial NOR Flash、Hyperflash、Hyper RAM

內存映射功能對比

FSMC內存映射

• 直接映射：FSMC直接將外部存儲設備映射到CPU的地址空間
• 訪問方式：CPU直接通過地址訪問，無需專用命令
• 優勢：實現簡單，無需特殊初始化序列
• 延遲：相對較低，通常1-2個時鐘周期
• 地址范圍：STM32上通常映射到0x6000 0000 - 0x6FFF FFFF

QSPI內存映射

• 間接映射：通過QSPI控制器將閃存內容映射到系統地址空間
• 訪問流程：
  1. 控制器發送特定命令(通常是0x0B/0xEB)
  2. 發送地址
  3. 插入可選的虛擬周期
  4. 連續讀取數據
• 映射機制：QSPI控制器自動處理命令序列
• 地址范圍：典型映射到0x9000 0000 - 0x9FFF FFFF

OSPI內存映射

• 增強型映射：支持QSPI的所有功能，并增加了8線模式支持
• 訪問流程：與QSPI相似，但可以使用8線傳輸
• 高級特性：
  1. 支持更復雜的命令序列
  2. 雙閃存同時訪問(STM32H7系列)
  3. 內存映射期間支持XIP緩存
• 地址范圍：類似QSPI，但可能有所擴展

XIP (執行時位置)實現方式

FSMC-XIP實現

// FSMC配置NOR Flash映射
void FSMC_NOR_Init(void) {FSMC_NORSRAMInitTypeDef FSMC_NORSRAMInitStructure;FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef p;// 配置基本時序p.FSMC_AddressSetupTime = 0x06;p.FSMC_AddressHoldTime = 0x00;p.FSMC_DataSetupTime = 0x0B;// ...其他時序配置// 配置NOR控制器FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank = FSMC_Bank1_NORSRAM1;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType = FSMC_MemoryType_NOR;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_16b;// ...其他控制器配置FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_NORSRAMInitStructure);FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM1, ENABLE);// 映射后可直接訪問和執行，無需額外步驟
}// 代碼執行示例
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction Jump_To_Application;
void ExecuteFromNOR(void) {// 直接跳轉到NOR Flash中的代碼Jump_To_Application = (pFunction)(0x60000000 + 0x1000); // 示例地址Jump_To_Application();
}

QSPI-XIP實現

// QSPI內存映射模式配置
void QSPI_MemoryMapped_Init(void) {QSPI_CommandTypeDef s_command;QSPI_MemoryMappedTypeDef s_mem_mapped_cfg;// 配置讀取命令s_command.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE;s_command.Instruction = QUAD_INOUT_FAST_READ_CMD; // 通常是0xEBs_command.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES;s_command.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;s_command.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;// ...其他命令配置// 配置內存映射參數s_mem_mapped_cfg.TimeOutActivation = QSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE;// 啟用內存映射模式HAL_QSPI_MemoryMapped(&hqspi, &s_command, &s_mem_mapped_cfg);// 此時Flash已映射到地址空間，可以執行代碼
}// 代碼執行示例
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction Jump_To_Application;
void ExecuteFromQSPI(void) {// 使能Cache以提高XIP性能SCB_EnableICache();SCB_EnableDCache();// 跳轉到QSPI映射區域的代碼Jump_To_Application = (pFunction)(0x90000000 + 0x1000); // 示例地址Jump_To_Application();
}

OSPI-XIP實現

// OSPI內存映射模式配置 (STM32H7系列示例)
void OSPI_MemoryMapped_Init(void) {OSPI_RegularCmdTypeDef sCommand;OSPI_MemoryMappedTypeDef sMemMappedCfg;// 配置讀取命令 (8線模式)sCommand.OperationType = HAL_OSPI_OPTYPE_READ_CFG;sCommand.FlashId = HAL_OSPI_FLASH_ID_1;sCommand.Instruction = OCTO_READ_CMD; // 例如0x8B/0xECsCommand.InstructionMode = HAL_OSPI_INSTRUCTION_8_LINES;sCommand.InstructionSize = HAL_OSPI_INSTRUCTION_8_BITS;sCommand.AddressMode = HAL_OSPI_ADDRESS_8_LINES;sCommand.AddressSize = HAL_OSPI_ADDRESS_32_BITS;sCommand.DataMode = HAL_OSPI_DATA_8_LINES;// ...其他命令配置// 配置內存映射參數sMemMappedCfg.TimeOutActivation = HAL_OSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE;// 啟用OSPI內存映射模式HAL_OSPI_MemoryMapped(&hospi, &sCommand, &sMemMappedCfg);// 此時可以直接執行映射區域的代碼
}// 代碼執行示例
typedef void (*pFunction)(void);
pFunction Jump_To_Application;
void ExecuteFromOSPI(void) {// 使能Cache以提高XIP性能SCB_EnableICache();SCB_EnableDCache();// 跳轉到OSPI映射區域的代碼Jump_To_Application = (pFunction)(0x90000000 + 0x1000); // 示例地址Jump_To_Application();
}

性能與應用對比

XIP性能對比

1. 訪問延遲：

   • FSMC: 低延遲，但總體帶寬受限
   • QSPI: 首次訪問延遲高，但連續讀取性能好
   • OSPI: 首次訪問延遲較高，但連續讀取性能最佳

2. 緩存影響：

   • 三種接口都受益于CPU緩存
   • 對于QSPI/OSPI，緩存幾乎是必需的
   • STM32H7還為QSPI/OSPI提供了專用的ART加速器

3. 代碼執行速度：

   • FSMC: ~15-30MB/s
   • QSPI: ~30-50MB/s
   • OSPI: ~80-200MB/s

適用場景

• FSMC:

  • 需要兼容舊設備
  • 需要簡單直接的訪問方式
  • 接口引腳數量不受限

• QSPI:

  • 需要節省PCB空間(較少引腳)
  • 中等執行性能要求
  • 大多數現代系統選擇

• OSPI:

  • 高性能應用
  • 運行復雜應用程序
  • 需要支持大容量閃存

總結

FSMC、QSPI和OSPI代表了嵌入式系統外部存儲接口的發展歷程：從并行到串行，從單線到多線。在內存映射和XIP方面，三種接口都支持，但實現復雜度和性能各不相同。對于現代STM32應用，QSPI和OSPI因其更好的性能/空間比和靈活性而成為更流行的選擇，特別是對于需要執行復雜代碼的應用程序。