Dual SPI和Quad SPI是两种常见的SPI(串行外设接口)通信扩展模式。Dual SPI在标准SPI的基础上增加了第二条数据线，使得数据传输速率翻倍，但仍使用单向数据传输。而Quad SPI进一步扩展为四条数据线，包括两条输入和两条输出，从而实现更高的数据传输速率，适用于需要快速读写数据的存储器(如闪存芯片)。这两种模式在嵌入式系统中广泛应用，以提升与外部设备(如存储器或传感器)的通信效率。
一、Dual SPI的定义与工作原理
Dual SPI(双线SPI)是标准SPI协议的扩展，主要针对SPI Flash等存储设备设计。其核心在于通过增加数据通道提升传输速率，同时保持较低的引脚复杂度。
1.硬件结构
信号线包括：片选(CS)、时钟(SCLK)、两条双向数据线(SIO0和SIO1)。
原MOSI和MISO被重新定义为IO0和IO1.支持半双工通信。
2.传输机制
每时钟周期传输2位数据：通过同时使用两条数据线，速率较标准SPI翻倍。
半双工模式：牺牲全双工能力，但更适用于Flash等单向数据流占主导的场景。
3.应用触发
需发送特定命令字节进入Dual模式，例如在初始化阶段配置Flash设备。
二、Quad SPI的定义与工作原理
Quad SPI(四线SPI，QSPI)进一步扩展了数据通道，实现更高的带宽，尤其适用于大容量存储和高速通信场景。
1.硬件结构
信号线扩展为六条：CS、SCLK、四根双向数据线(IO0-IO3)。
部分实现可能包含额外的控制信号(如/WP、HOLD)。
2.传输机制
每时钟周期传输4位数据：通过四条数据线并行传输，速率较标准SPI提升四倍。
双数据速率（DDR）模式：在时钟的上升沿和下降沿均传输数据，理论速率再翻倍。
3.高级功能
内存映射模式（XIP）：允许微控制器直接执行外部Flash中的代码，无需复制到内部RAM，显著提升系统效率。
多阶段命令序列：支持指令、地址、数据等分阶段配置，增强灵活性。
三、Dual SPI与Quad SPI的关键对比
| 特性 | Dual SPI | Quad SPI |
|---|---|---|
| 数据线数量 | 2条（IO0、IO1） | 4条（IO0-IO3） |
| 传输速率 | 标准SPI的2倍（约20 Mbps） | 标准SPI的4倍（约40 Mbps） |
| 全双工支持 | 不支持（半双工） | 不支持（半双工） |
| 典型应用 | 中速存储、传感器数据读取 | 高速存储（如NOR Flash）、多媒体处理 |
| 引脚占用 | 较少（4根信号线） | 较多（6根信号线） |
| 协议复杂度 | 较低 | 较高（支持XIP、DDR等） |
四、应用场景差异分析
1.Dual SPI的适用场景
资源受限系统：当PCB空间有限且对速率需求适中时(如嵌入式传感器节点)。
兼容性要求：需向下兼容标准SPI协议的老旧设备。
2.Quad SPI的优势场景
大容量存储：如外部NOR Flash，支持XIP功能直接执行代码。
高带宽需求：视频流处理、图像存储等需要快速数据吞吐的场景。
多设备扩展：通过分时复用单Quad接口连接多个设备，减少主控引脚占用。
五、优缺点分析
1.Dual SPI的优缺点
优点：
引脚占用少，适合紧凑型设计。
协议简单，硬件实现成本低。
缺点：
速率提升有限，无法满足高带宽需求。
半双工限制实时双向通信。
2.Quad SPI的优缺点
优点：
速率显著提升，支持DDR模式进一步优化性能。
支持XIP，提升系统整体效率。
缺点：
引脚需求多，增加布线复杂度。
协议复杂，需专用控制器支持。
六、未来发展趋势
随着存储需求增长，SPI协议持续演进：
1.Octal SPI：
使用8条数据线，速率可达Quad SPI的2倍。
适用于AI边缘计算等超高速场景。
2.协议融合：
部分芯片支持动态切换模式(如从Quad SPI降级为Dual SPI以兼容旧设备)。
3.低功耗优化：
针对物联网设备，在高速传输中引入电源管理机制。
总结
Dual SPI和Quad SPI通过增加数据通道在速率与引脚复杂度之间实现平衡。选择时需综合评估：
- 速率需求：Quad SPI在带宽敏感场景占优。
- 硬件资源：Dual SPI更适合引脚受限的设计。
- 功能扩展：Quad SPI的XIP等特性对复杂系统更具吸引力。
未来随着Octal SPI等技术的普及，SPI协议将在高速存储领域持续发挥关键作用。
