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OSPI Flash（Octal SPI Flash）是一种基于SPI（串行外设接口）扩展的高速串行Flash存储器，采用8-bit数据总线通信方式。相比传统的SPI或Quad SPI（QSPI），OSPI提供更高的数据吞吐率与更优的系统性能。OSPI Flash主要应用在高性能嵌入式系统启动，图形界面处理（GUI）/人机交互界面（HMI），嵌入式AI模型存储等领域。瑞萨高性能MCU、MPU都提供了功能强大的OSPI接口，它不仅可以工作在8线的高速模式下，还兼容普通的单线（SPI），双线（DSPI）和四线（QSPI）的多种工作模式和多种协议模式。


然而面对广大不同厂家的OSPI Flash，虽然说大部分功能相似，大部分功能也可以复用，但是不同厂家的OSPI Flash还是存在或多或少的差别。因此如果客户出于成本的考虑，需要更换OSPI Flash的时候，需要做驱动层的适配工作。那如何做OSPI Flash的驱动的适配工作？


下面我以Renesas RA8D1这款高性能MCU为例来说明如何进行OSPI Flash驱动的适配工作，总结成两篇适配秘籍，可以供客户参考。公欲善其事，必先懂其基（基本原理），本篇文章先就OSPI的一些工作模式和协议等基本概念做一个相对系统的介绍。后续的篇章我们将以Winbond W35T51NW OSPI Flash为例来展开具体的驱动的适配工作。请感兴趣的读者持续关注！

读者朋友们可以先了解一下RA8D1的OSPI specifications：

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RA8D1的OSPI工作模式：


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Support Protocol modes below


xSPI规范支持多种协议模式，包括1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D、1S-2S-2S、2S-2S-2S、1S-4S-4S、4S-4S-4S等。这些模式主要是基于数据传输位宽（线数）和时钟模式（SDR/DDR）进行区分。


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协议模式的基本概念


  • 1S、2S、4S、4D、8D代表了数据传输过程中使用的线数：

    ○ 1S（Single Line，单线）：每个时钟周期传输1bit数据。

    ○ 2S（Dual Line，双线）：每个时钟周期传输2bit数据（双线，每根线1bit）。

    ○ 4S（Quad Line，四线）：每个时钟周期传输4bit数据（四线，每根线1bit）。

    ○ 4D（Qcta Line，四线DDR）：每个时钟周期传输8bit数据,因为采用DDR（DDR双数据速率）模式，时钟周期的上升沿传输4bit数据，下降沿传输4bit数据。

    ○ 8D（Octa Line，八线DDR）：每个时钟周期传输16bit数据，因为采用DDR（DDR双数据速率）模式，时钟周期的上升沿传输8bit数据，下降沿传输8bit数据。


  • SDR（Single Data Rate，单数据速率）DDR（Double Data Rate，双数据速率）：

    ○ SDR：仅在时钟上升沿传输数据。

    ○ DDR：在时钟上升沿和下降沿传输数据，线数相同的情况下吞吐量是SDR的2倍。


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具体模式说明


不同模式的主要区别在于xSPI接口访问Flash的地址、命令和数据阶段分别使用多少条数据线进行传输。


模式

命令阶段

地址阶段

数据阶段

时钟模式

1S-1S-1S

1-bit

1-bit

1-bit

SDR

4S-4D-4D

4-bit

DDR4-bit

DDR4-bit

DDR

8D-8D-8D

DDR8-bit

DDR8-bit

DDR8-bit

DDR

1S-2S-2S

1-bit

2-bit

2-bit

SDR

2S-2S-2S

2-bit

2-bit

2-bit

SDR

1S-4S-4S

1-bit

4-bit

4-bit

SDR

4S-4S-4S

4-bit

4-bit

4-bit

SDR


下面以1S-1S-1S、4S-4D-4D、8D-8D-8D三种协议模式举例说明


  • 1S-1S-1S（传统SPI模式）

    ○ 命令、地址、数据阶段都使用单线传输（每个时钟周期1bit）。

    ○ 这种模式兼容传统SPI，但传输速度较慢。

    ○ 优点：兼容性好，适用于低速SPI设备。


  • 4S-4D-4D（Quad SPI DDR模式）

    ○ 命令阶段：使用4-bit传输（相比1S提高4倍）。

    ○ 地址阶段：使用4-bitDDR传输（时钟上升沿和下降沿都发送数据）。

    ○ 数据阶段：使用4-bitDDR传输，吞吐量更高。

    ○ 优点：相比1S-1S-1S，吞吐量提高了8倍，适用于高速NORFlash存储应用。


  • 8D-8D-8D（Octa SPI DDR模式）

    ○ 命令、地址、数据都使用8-bitDDR传输。

    ○ 相比4S-4D-4D，吞吐量翻倍。

    ○ 适用于极高速NORFlash存储，如PSRAM、Octa Flash、Octa HyperRAM。


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Configurable address length


支持可配置的地址长度（常见如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）；


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Configurable initial access latency cycle


指访问延迟周期（Latency Cycle）可配置，在XIP或连续读取模式中尤为关键：

  • 设备允许设置dummy cycle数量；

  • 适应不同主频、控制器时序要求；

  • 优化带宽性能或兼容性。


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Support XiP mode


支持Execute in Place（XIP）模式：

  • MCU/MPU可将Flash映射入内部地址空间；

  • 支持直接读取并执行，不需复制到RAM；

  • 通常与memory-mapped mode、持续读取命令组合使用。



RA8D1的OSPI接口功能：


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Support Write Data Mask（支持写数据掩码）


  • 允许在写入数据时屏蔽某些字节，使其不被改写，而其他字节仍然可以被正常写入。

  • 这种功能通常用于按位更新存储器内容，而无需先读取、修改、再写入完整数据。


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Support In-band Reset（支持带内复位）


  • 通过OSPI总线上的指令或数据序列触发设备复位，而不是依赖额外的硬件复位引脚。

    ○ 适用于系统集成度高、不易接触硬件复位引脚的应用，如嵌入式系统和工业控制设备。


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Memory-mapping（内存映射模式）


OSPI控制器支持将外部Flash设备的存储空间直接映射到MCU地址空间，使其像内部RAM/ROM一样被访问。


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Support up to 256MB address space each CS

（每个CS支持高达256MB的地址空间）


  • 在内存映射模式下，每个片选（CS，Chip Select）可支持高达256MB的存储空间，这意味着可以使用较大的外部存储器。

  • 应用场景：

    ○ 适用于大容量代码存储（如执行XIP（execute In Place）），即代码直接在Flash中运行，而无需拷贝到RAM。

    ○ 适用于存储大量数据，如日志记录、固件存储、AI推理模型等。


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Prefetch function for burst-read with 

low latency（预取功能，提高突发读取性能）


  • 在突发读取(BurstRead)模式下，OSPI控制器会提前读取后续数据并存入缓冲区，减少访问延迟。

  • 应用场景：

    ○ 适用于实时性要求较高的应用，例如高速图像处理、实时操作系统（RTOS）等。

    ○ XIP模式下，可以减少CPU访问外部Flash的延迟，提高程序运行效率。


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Outstanding buffer for burst-write with 

high throughput（突发写入优化，提高吞吐量）


  • 突发写入（BurstWrite）时，OSPI控制器使用Outstanding buffer（写入缓冲区），允许CPU快速提交数据，而不必等待Flash完成写入，提高吞吐量。

  • 应用场景：

    ○ 适用于数据流量较大的应用，如数据记录、固件升级、机器学习模型加载等。


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Manual command（手动指令模式）


OSPI支持手动发送自定义指令，使其适用于不同厂商的Flash设备，并提供更灵活的操作方式。


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Configurable up to 4 commands

（可配置最多4条指令）


  • 用户可以预设4条常用指令（如读、写、擦除等），减少软件控制开销，提高效率。


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Status Register Polling function

（状态寄存器轮询功能）


  • 允许MCU轮询Flash的状态寄存器，以确定Flash是否完成写入、擦除等操作，避免不必要的等待。


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Input Strobe port timing shift

（输入同步信号端口的时序调整）


  • 在高速OSPI传输中，数据可能会有时序偏移。这个功能允许调整数据采样时钟，以确保数据稳定可靠。

  • 应用场景：

    ○ 当使用不同的Flash器件时，可能会因工艺或PCB布局导致时序误差，调整该参数可以优化信号完整性。

    ○ 适用于高速通信场景，如工业自动化、汽车电子、无线通信设备等。


下面具体给读者解读一下在8D-8D-8D协议下的时序图：

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图中相关信号线的含义如下表所示：

信号

含义

说明

clk_spi（Internal Clock）

控制器内部工作时钟

控制器使用的内部时钟，驱动SPI状态机，不直接输出

OM_CS0/CS1

片选信号

有效为低，表示与Flash通信开始

OM_SCLK

外部SPI时钟

控制器发出的时钟信号，Flash据此采样或发送数据

OM_SIO[7:0]

Octal IO数据线

8位数据总线，双向通信（收发命令/地址/数据）

OM_DQS

数据选通信号

DDR模式下Flash输出的时钟对齐信号，用于控制器采样数据


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从上图可以看到command field的一个时钟周期的上升沿可以采集8位数据（因为有OM_SIO0-OM_SIO7八根线的数据，每根线上一位数据），下降沿也可以采集8位数据，这样一个时钟周期可以采集16bit的数据。同样的道理地址段两个时钟周期，可以采集32位数据。那么这样数据段的传输速率，相比1S-1S-1S协议提高了16倍。




关于OSPI Flash适配的内功心法就大致介绍完毕。我们将在下一个篇章推出具体的Octa Flash适配的移形换位大法。请感兴趣的读者，持续关注我们的#瑞萨嵌入式小百科 公众号。


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