STM32中QSPI扩展Flash实战：从协议到代码的完整指南

你有没有遇到过这样的尴尬？——项目做到一半，发现MCU片内Flash快爆了。UI资源、语音文件、多套固件镜像全堆在一起，编译器报错“.text段溢出”，而你手里的STM32F407只剩1MB Flash……这时候，是换更大封装的芯片？还是砍功能？

其实，还有一条高性价比的出路：用QSPI外挂一颗NOR Flash。

今天我们就来手把手带你打通这条“扩容高速路”。不讲虚的，从硬件连接、寄存器配置到XIP就地执行，一步步教你如何在STM32上把外部Flash变成“第二内存”。

为什么是QSPI？不是SPI，也不是并口

先说结论：QSPI是在性能、引脚数和成本之间最平衡的选择。

传统SPI虽然简单，但带宽有限，最高也就30~50Mbps，读个图片都卡。而并行NOR Flash虽然快，却要占用14个以上IO口，PCB布线复杂，成本也高。

那QSPI呢？

• 只用6根线（CLK, CS, IO0~IO3）
• 理论速率320Mbps（80MHz × 4线）
• 支持XIP，代码可以直接运行
• 硬件自动管理时序，CPU几乎不参与

简直是为嵌入式系统量身定制的“外挂硬盘”。

我曾经在一个工业HMI项目里，主控用的是STM32F767，原本打算把所有UI图片打包进内部Flash，结果一算：光字体+图标就占了800KB，再加动画帧序列，直接破限。后来改用QSPI接了一颗W25Q128（16MB），不仅空间绰绰有余，还能实现动态加载页面资源，流畅度反而提升了。

这，就是QSPI的价值。

QSPI不只是“四线SPI”：它到底强在哪？

很多人以为QSPI就是“SPI接四根数据线”，其实远不止如此。

STM32内置的QUADSPI控制器是一个高度集成的DMA-capable外设，它能做的事情比你想象得多：

• 自动生成完整的通信帧（命令+地址+空周期+数据）
• 支持双闪切换（Dual Flash Mode）
• 可配置FIFO阈值触发中断或DMA请求
• 最关键的是：支持内存映射模式（Memory-Mapped Mode）

什么叫内存映射？
意思是你可以把外部Flash映射到CPU的地址空间，比如0x90000000开始的位置。之后，只要访问这个地址范围，硬件会自动发起QSPI读操作——就像读SRAM一样自然。

这就实现了真正的XIP（eXecute In Place）：MCU可以直接从外部Flash取指执行，无需先把固件搬进内部Flash或RAM。

⚠️ 注意：写和擦除仍然需要切回间接模式，毕竟Flash不能边读边写。

芯片选型实战：W25Q128为何成为首选？

市面上支持QSPI的Flash不少，但我推荐新手从W25Q128JV入手，原因很实在：

• 容量够大：128M-bit = 16MB，足够塞下两套固件做A/B升级；
• 兼容性好：几乎所有STM32开发板例程都以它为例；
• 手册清晰：Winbond的数据手册连dummy cycle都标得明明白白；
• 封装友好：常见SOIC-8或WSON-8，手工焊接无压力。

它的内部结构也很规整：

• 每页 256 字节
• 每扇区 4KB（16页）
• 每块 64KB（16扇区）
• 总共 256 块 → 刚好 16MB

写操作必须按“页”进行（≤256字节），擦除则至少按“扇区”（4KB起）。所以你在设计文件系统时就得考虑这些物理限制。

另外，别忘了每次写之前要发一个Write Enable（0x06）命令，否则Flash会无视你的写入请求——这是新手最容易踩的坑之一。

硬件怎么连？6根线搞定一切

典型的连接方式如下：

电源部分别偷懒！一定要在VCC引脚靠近芯片处加一个100nF陶瓷电容，最好再并联一个1μF钽电容。如果供电不稳定，高速读取时极易出现数据错乱。

走线也有讲究：
- 尽量等长，总长度建议不超过10cm；
- 避免锐角拐弯，减少反射；
- 不要和其他高频信号（如USB、Ethernet）平行走线；
- 若板子较大，可在每根信号线上串联一个22Ω电阻抑制振铃。

GPIO选择上，优先使用MCU原生QSPI引脚，避免使用AF重映射，否则可能影响最大时钟频率。

软件驱动核心流程：HAL库下的QSPI初始化

我们以STM32H7系列为例，使用HAL库完成QSPI初始化。

第一步：时钟与GPIO配置

确保QSPI时钟源已使能（通常来自PLL），并通过CubeMX配置对应引脚为QUADSPI复用功能。

__HAL_RCC_QSPI_CLK_ENABLE(); // GPIO 初始化略（由CubeMX生成）

第二步：QUADSPI参数设置

QSPI_HandleTypeDef hqspi; void MX_QUADSPI_Init(void) { hqspi.Instance = QUADSPI; hqspi.Init.ClockPrescaler = 1; // 分频=1 → SCK = 200MHz / 2 = 100MHz hqspi.Init.FifoThreshold = 4; // FIFO达4字节触发中断/DMA hqspi.Init.SampleShifting = QSPI_SAMPLE_SHIFTING_HALFCYCLE; // 半周期采样，提升稳定性 hqspi.Init.ChipSelectHighTime = QSPI_CS_HIGH_TIME_6_CYCLE; // CS高时间 ≥ 5 cycles hqspi.Init.ClockMode = QSPI_CLOCK_MODE_3; // CPOL=1, CPHA=1（匹配W25Q128） hqspi.Init.FlashSize = POSITION_VAL(0x1000000) - 1; // 2^24 = 16MB hqspi.Init.BurstLength = QSPI_BURSTLENGTH_SINGLE; // 默认单次传输 hqspi.Init.DualFlash = QSPI_DUALFLASH_DISABLE; if (HAL_QSPI_Init(&hqspi) != HAL_OK) { Error_Handler(); } }

这里有几个关键点要特别注意：

• ClockPrescaler = 1：意味着SCK频率为100MHz（假设QSPI_CLK=200MHz）。初次调试建议先设为4（50MHz），稳定后再拉高。
• SampleShifting：由于信号传播延迟，在高速下建议启用半周期偏移采样。
• FlashSize：必须准确设置，否则超过边界访问会导致异常。

寄存器级操作详解：一次Quad Read是怎么发生的？

让我们深入看看一次“四线快速读”的全过程。

以读取W25Q128为例，使用的指令是0xEB（Fast Read Quad Output），其通信帧结构如下：

注意：Dummy Cycles是必须的！因为Flash需要时间准备数据输出。W25Q128在104MHz下要求6个dummy cycles，若省略，前几个字节会错乱。

对应的HAL配置如下：

HAL_StatusTypeDef QSPI_Read(uint8_t *buf, uint32_t addr, uint32_t size) { QSPI_CommandTypeDef cmd = {0}; cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; cmd.Instruction = 0xEB; // Quad Fast Read cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES; cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS; cmd.Address = addr; cmd.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES; cmd.NbData = size; cmd.DummyCycles = 6; cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE; cmd.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD; if (HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, HAL_TIMEOUT_DEFAULT) != HAL_OK) return HAL_ERROR; return HAL_QSPI_Receive(&hqspi, buf, HAL_TIMEOUT_DEFAULT); }

看到没？整个过程不需要手动发送每一位，全部由硬件自动完成。你只需要告诉控制器：“我要发什么命令、地址多少、要不要dummy、数据多长”，剩下的交给QUADSPI外设。

这就是专用控制器的优势。

如何进入内存映射模式？实现真正XIP

这才是QSPI最大的杀伤力所在。

一旦进入内存映射模式，外部Flash就会被映射到地址0x90000000开始的空间。你可以像访问数组一样读取其中的内容：

uint8_t *flash_ptr = (uint8_t*)0x90000000; printf("First byte: 0x%02X\n", flash_ptr[0]);

甚至可以直接跳转过去执行代码！

启动流程示意：

1. Bootloader检测是否有新固件在QSPI Flash中
2. 配置QSPI为内存映射模式
3. 关闭中断，设置栈指针，跳转至0x90000000 + offset执行

具体切换代码如下：

HAL_StatusTypeDef QSPI_EnterMemoryMappedMode(void) { QSPI_CommandTypeDef cmd; QSPI_MemoryMappedTypeDef mm_cfg; // 先发送普通读命令模板 cmd.InstructionMode = QSPI_INSTRUCTION_1_LINE; cmd.Instruction = 0xEB; // Quad Read cmd.AddressMode = QSPI_ADDRESS_4_LINES; cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS; cmd.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES; cmd.DummyCycles = 6; cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE; cmd.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD; mm_cfg.TimeOutActivation = QSPI_TIMEOUT_COUNTER_DISABLE; mm_cfg.TimeOutPeriod = 0; return HAL_QSPI_MemoryMapped(&hqspi, &cmd, &mm_cfg); }

调用成功后，任何对0x90000000 ~ 0x90FFFFFF范围的读访问都会自动转换为QSPI读操作。

✅ 提示：某些型号支持AHB-Lite缓存（如STM32H7的ART Accelerator），可进一步提升连续读取性能。

常见坑点与调试秘籍

❌ 问题1：读出来全是0xFF或0x00？

可能是以下原因：
- Flash未正确上电（检查VCC和电容）
- GPIO配置错误（是否用了正确的AF功能？）
- Clock Mode不匹配（W25Q128默认用Mode 3）
- Dummy Cycles设置不足

👉 解法：先降低时钟到40MHz，dummy设为8，确认能读出JEDEC ID（0xEF 0x40 0x18）再说其他。

❌ 问题2：XIP模式下程序跑飞？

记住：内存映射模式只支持读！如果你试图在该区域写Flash，或者执行了非法跳转，后果自负。

此外，某些Cortex-M内核会对指令预取做优化，建议在跳转前插入：

DSB ISB

清空流水线。

❌ 问题3：DMA读取卡住？

检查FIFO Threshold设置是否合理。若设得太低（如1字节），中断太频繁；太高（如16字节）可能导致溢出。

推荐值：4~8字节，配合DMA双缓冲使用效果最佳。

实战应用场景推荐

场景1：Bootloader + A/B固件升级

将两套固件分别存于QSPI Flash的不同区域，Bootloader根据标志位决定加载哪一套。更新时只需下载到备用区，下次启动自动切换。

场景2：图形界面资源存储

把BMP/PNG解码后的像素数据、字体字模、动画帧序列全放进外部Flash，运行时按需加载，大幅节省内部Flash。

场景3：音频播报系统

预存多段语音提示（PCM或ADPCM格式），通过DMA持续读取播放，CPU零负担。

场景4：AI模型部署

轻量级神经网络模型（如TensorFlow Lite for Microcontrollers）常达几百KB，放在QSPI Flash中，推理时分块加载即可。

写在最后：QSPI不是终点，而是起点

当你熟练掌握QSPI后，你会发现很多以前不敢想的功能变得可行了：

• 固件热更新不用重启
• UI动画可以更丰富
• 设备能携带更多本地知识库
• 甚至可以尝试从外部Flash引导Linux（配合FSBL）

更重要的是，这种“软硬协同”的思维会让你在系统架构设计上更进一步。

所以，别再让Flash容量限制你的想象力了。
6根线，16MB空间，高达100MHz的访问速度——现在全都掌握在你手中。

如果你正在做一个需要大容量存储的项目，不妨试试QSPI。说不定，它就是那个让你项目“起飞”的转折点。

有什么问题欢迎留言讨论，我可以分享更多实际项目中的QSPI优化技巧，比如如何做坏块管理、怎样提升多设备兼容性等等。