读懂时序图

前言

读时序图之前，首先要明确几个概念

  1. 引脚
    首先，时序图一般指同步时序图，异步时序例如串口（UART/SCI）不在讨论之列
    判断同步时序的方法很简单，就是看是否存在专门的Clock信号引脚，其次看I/O引脚上的边沿是否和Clock同步，一般常见的同步时序串行接口有SPI、SDIO、I2C、I2S、USART等
    本文档由W25Q64（华邦电子出品，NOR Flash，SPI/QSPI接口）中的一个简单I/O指令的执行，解释如何读懂时序图
  2. 端序
    一般存储顺序分为两种，大端和小端
  • 大端：一串数据的高字节存储在低地址，低字节存储在高地址
  • 小端：高低字节按照高低地址顺序排列，和大端相反

尤其注意是字节的存储顺序，而非数据位的顺序

就目前看到过的各种芯片的串行时序，多字节指令（≥2Byte）一般是大端序，而常见单片机例如ARM却是小端序，这部分尤其需要注意区分

  1. 数据顺序
    指I/O数据的存储顺序
  • 如果是存储芯片，那么无论如何，按照顺序写入和读出可以保证数据的完整性
  • 其他芯片就看时序图中给定的端序，然后整理成单片机的端序即可
  1. 单片机相关
    一般单片机的串行通信接口的硬件buffer均为一个字节，但是受限于驱动库（软件限制），多用小端序读写此buffer
    直接操作硬件的话，可以避开驱动库的限制，自由地配置为大端或者小端

W25Q64的Fast Read指令

  • W25Qxxx系列是使用SPI接口的NOR Flash，使用24位地址宽度
  • 通信格式为：指令——地址（大端序）——I/O数据
  • SPI通信开始的标志是CS/NSS被主机拉低，从设备被选中
  • SPI总线的I/O在空闲时处于High-Impedance（高阻）状态
  • 一般时序图上会标注时钟的周期号，可以据此判断时序图的先后

对于上述的时序图，可以这样解读：

  1. CS拉低，开始通信
  2. CLK引脚上出现脉冲，在脉冲的边沿上，I/O引脚开始脱离高阻态，最多占用一个时钟周期
  3. MOSI引脚发送指令0x0Bh，MISO引脚处于高阻态，占用八个时钟周期
  4. MOSI引脚按照大端序发送24位地址，先发送高字节，MISO引脚处于高阻态共占用24个时钟周期
  5. MOSI和MISO均进入高阻态，等待八个时钟周期（也可以将该Dummy Byte读出并舍去）
  6. MOSI进入空闲（非高阻态，且无需关心），MISO上开始出现数据脉冲，在该芯片上，数据按照写入的顺序读出，读出N个字节，占用N*8个时钟周期
  7. CS拉高，MOSI/MOSI进入高阻态，CLK引脚回到空闲电平，通信结束

综上，同步时序逻辑的理解，大致分为几步：

  1. 找到通信开始和结束的标志，找到时钟脉冲
  2. 对时钟脉冲分段，找到每一段传输的数据是什么，是否有空闲时钟脉冲（这很重要）
  3. 分好数据段后，确定端序，并在程序中做出相应处理
  4. 根据上述信息，即可整理成代码，进行下一步调试

该指令对应的伪代码如下（C语言）

/* Fake Functions Declerations */
void SPI_Transmit(uint8_t* pTxData, uint16_t pTxSize);
void SPI_Receive(uint8_t* pRxData, uint16_t pRxSize);

/* Command Function */
void W25Qxx_FastRead(uint8_t* pReadData, uint16_t pReadSize, uint32_t Addr)
{
    /* Variables Definitions */
    uint8_t command_buff = 0x0Bu, dummy_buff = 0u, addr_buff[3] = {0};
    
    /* Address Processing */
    addr_buff[0] = (Addr & 0x00FF0000ul) >> 16u;
    addr_buff[1] = (Addr & 0x0000FF00ul) >> 8u;
    addr_buff[2] = Addr & 0x000000FFul;
    
    /* Instruction Transmitting */
    SPI_Transmit(&command_buff, 1u);
    
    /* Address Transmitting */
    SPI_Transmit(addr_buff, 3u);
    
    /* Dummy Reading */
    SPI_Receive(&dummy_buff, 1u);
    
    /* Data Reading */
    SPI_Receive(pReadData, pReadSize);
}