SPI NOR Flash：固件为什么上电就能跑

更新时间：2026-09-12。本文是「集成电路大类 · 芯片设计」**入门层（beginner）**数字逻辑基础第一百零一篇。几乎每块带 MCU/FPGA/SoC 的板子上都有一颗 8 脚串行芯片，断电后程序就躺在里面，上电第一时间被读走——它就是 SPI/QSPI NOR Flash。理解它，就把 SPI 时序、非易失存储和「芯片怎么启动」串了起来（FPGA 侧用同类 Flash 存比特流）。

本文要回答的问题

• NOR 和 NAND Flash、EEPROM、SRAM 的使用方式差在哪？为什么 NOR 能直接取指（XIP）？
• 标准读、快速读、QSPI 读的时序分别长什么样？
• 为什么写之前要「写使能」、为什么要先擦除才能写？
• 扇区、页、WIP 状态位是什么，烧录一个固件要走哪几步？
• CPU 怎么把 QSPI Flash 当成内存一样直接跑代码？

一、NOR Flash 的定位：可随机读的非易失存储

Flash 靠浮栅/电荷阱存 0/1，断电不丢。两大类用法很不同：

• NOR Flash：按字节/字随机寻址读，读出延迟低、可直接挂在内存总线上取指，这叫 XIP（eXecute-In-Place，就地执行）；容量偏小（Mb~Gb）、擦写慢、成本高，用来存启动代码和固件；
• NAND Flash：按页读/写、按块擦，不能随意字节寻址，密度高、便宜，用来存大数据（见 NAND/eMMC）；
• EEPROM 可字节擦写但容量小，存配置参数。

上电后 CPU 的取指总线（经一个 SPI/QSPI 控制器）直接从 NOR 读指令，不需要先把程序搬到 RAM——这正是「上电就能执行」的原因。

二、标准 SPI 读：命令 + 地址 + 数据

标准单线 SPI（模式 0/3）一次读：

1. 拉低片选 /CS；
2. 主机发命令 0x03（Read Data）；
3. 发 3 字节地址（24 位，A23..A0）；
4. 之后主机给时钟，Flash 从该地址连续输出数据，地址自动递增，直到 /CS 拉高。

/CS ‾‾\_________________________________________/‾‾
MOSI   |03| A23..A16|A15..A8|A7..A0| ——————— (主机发 dummy) ——
MISO   ——命令/地址阶段——| D0 | D1 | D2 | ...（Flash 连续输出，地址自增）

高频时用 0x0B Fast Read：地址后加若干 dummy（等待）周期再出数据，换取更高时钟；QSPI 用 0x6B（四线快速读）/0xEB，命令地址后 4 根数据线一起吐数据，带宽近似 ×4。

三、写入：先使能、先擦除、按页编程

Flash 的物理特性是「只能把位从 1 写成 0，不能直接 0→1」，所以改数据必须先擦除（把整块恢复成全 1）。完整写流程：

1. WREN（0x06，写使能）：每次写/擦前先发，置状态寄存器 WEL 位（操作完自动清，防止误写）；
2. 擦除：按 **4KB 扇区（0x20）/32KB 块（0x52）/64KB 块（0xD8）/整片（0xC7）**为单位，发送命令+地址；
3. 轮询 RDSR（0x05）读状态寄存器，等 **WIP（bit0，Write-In-Progress）**变 0（擦除要几十~几百 ms）；
4. 页编程 PP（0x02）：发命令+地址+数据，一次最多写满一页（通常 256B，跨页会回卷覆盖页首）；写完同样轮询 WIP；
5. 重复到所需数据写完。掉电保护有状态/标志位（如 WEL、块锁 BP、状态寄存器 SRP）防止意外改写启动区。

四、内存映射读与 XIP

实际取指不会用软件逐字节发 0x03——QSPI 控制器提供内存映射（memory-mapped）模式：硬件把对某段地址的读总线事务自动翻译成 QSPI 读命令和连续地址突发，CPU 看到的就是一段只读内存，直接在上面取指执行（XIP），数据线多用 dummy 周期和连续读摊薄命令开销。写/烧录仍走命令模式由加载器或驱动完成。32 位地址的大容量 NOR 需进入 **4 字节地址模式（0xB7）**或用 Bank 寄存器。

命令	含义
0x03 / 0x0B	普通读 / 快速读（带 dummy）
0x6B / 0xEB	QSPI 四线快速读
0x06 / 0x05	写使能 WREN / 读状态 RDSR（WIP、WEL）
0x20 / 0xD8	4KB 扇区擦除 / 64KB 块擦除
0x02	页编程（≤256B/页）
0xB7	进入 4 字节地址模式

与现有篇目的衔接

• 前置：SPI 时序基础、片上存储/非易失分类、OTP/eFuse
• 配套：FPGA 比特流烧 Flash、SD 卡 SPI 模式、NAND/eMMC 控制器
• 相关：启动流程/取指、寄存器映射、CRC/校验

总结

一句话总结：SPI/QSPI NOR Flash 是板上存放固件和启动代码的可电擦写非易失存储器，它按字节随机寻址读、读出延迟低，因而能被挂到取指总线上做 XIP 就地执行——这是上电后不先搬运程序就能直接跑代码的原因，区别于按页访问、密度高成本低的 NAND 和按字节改写的 EEPROM；标准 SPI 读时序是拉低片选后发 0x03 命令、3 字节地址，然后 Flash 随时钟连续输出数据且地址自动递增，高频用带 dummy 周期的 0x0B 快速读，QSPI 用 0x6B/0xEB 在四根数据线上把带宽提高数倍；写入受「只能把 1 写成 0」的物理限制，必须先发 0x06 写使能置位 WEL、再按 4KB 扇区或更大块擦除恢复全 1，轮询 0x05 状态寄存器的 WIP 位确认擦除完成后，才能用 0x02 页编程一次写至多 256 字节（跨页会回卷）并再次等待 WIP；大容量器件用 0xB7 进入 4 字节地址模式；真正运行时控制器用内存映射模式把 CPU 的读事务自动翻译成 QSPI 突发、伪装成一段只读内存实现透明取指，而烧录仍走命令模式，FPGA 也用同类 NOR/NAND 存放上电配置比特流。