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STM32与W25Q64的SPI通信详解（第一部分）

文章目录

  • 前言
  • SPI通信
  • 硬件电路
  • 移位过程
  • SPI时序
  • 起始与终止条件
  • 交换一个字节
  • W25Q64
  • 硬件电路
  • 框图
  • FLASH操作注意事项
  • 软件SPI读写W25Q64

    • 前言

    USART串口链接入口

    I2C通信链接入口

    SPI通信

    SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的串行通信协议。通常用于连接主控芯片和外围设备，比如传感器、存储器、显示屏等。SPI使用简单，只需要几根线就可以实现进行通信。

    硬件电路


    主要线路：

    SCLK（时钟信号）：由主设备产生，用于同步数据传输的时钟信号。
    MOSI（主设备输出从设备输入）：主设备将数据发送给从设备的数据线。
    MISO（主设备输入从设备输出）：从设备将数据发送给主设备的数据线。
    SS/CS（片选信号）：由主设备控制，用于选择要进行通信的特定设备。

    上图中，主机连接着多个从机，但在通信时，只能对一个从机进行SPI通信，会通过选定的从机的片选信号SS从高电平置于低电平（其他没有选中的保持高电平）让主机与其通信。

    移位过程


    由于有两条传输数据线，所以SPI通信能做到同时进行发送数据和接收数据的特点。

    主机和从机都由主机的波特率发生器控制着时钟信号，实现同步的传输。

    首先主机会将移位寄存器的高位通过MOSI数据线传送到从机的移位寄存器的最低位；同时，从机的移位寄存器的最高位会通过MISO数据线传送到主机移位寄存器的最低位。两个移位寄存器将最高位的数据传出之后，移位寄存器就会进行向右移位，因此最低位也会腾出空间，让主机的最高位数据放到从机的最低位，从机的最低位数据放到主机的最低位。以此循环八次，就能将一个字节的数据进行转换了。

    SPI时序

    起始与终止条件

    起始条件：SS从高电平切换到低电平
    终止条件：SS从低电平切换到高电平

    这是片选信号，高低电平的切换代表SPI时序的开始和结束。

    交换一个字节

    交换一个字节（模式0）
    CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
    CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

    对于SPI通信，由于是同时进行数据传输，所以称之为字节的交换。
    交换字节有4个模式，不同之处就在于空闲状态SCK是高电平还是低电平；还有一个从SCK的第一个边沿还是第二个边沿移入数据，这里将介绍模式0的交换，其他同理。

    首先这里说的移入数据和移出数据，是指数据的移出会先放在MOSI数据线或者是MISO数据线上，通过一定的时间再把数据放入对方的最低位。所以，只有先移出数据，才能移入数据。
    而这里的却从SCK的第一个边沿就移入数据，是因为主机和从机在SS的低边沿就进行将数据移出到MOSI和MISO上，所以会在SCK的高边沿就进行数据的移入，到了SCK的低边沿就将数据移出，依次重复八次，就将一个字节交换成功了    。

    其他模式
    交换一个字节（模式1）
    CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
    CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据



    这是主机向选定的从机发送一个0x06的信号，由于对于从机发送的内容不关心，所以默认为0xFF。所以一般情况下，只有我们选择读取从机的数据，MISO的数据线才会有波形变化。

    W25Q64

    W25Q64是一款由华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，其容量为64Mb（8MB）。它属于W25Q系列器件，相比普通的串行闪存硬件，在灵活性和性能方面也有更出色的表现。
    W25Q64可以用于存储图片数据，字库数据、音频数据以及保存设备运行日志文件等。
    该芯片将8M字节的容量分为128块，每个块包含16个扇区，每个扇区有4K字节。支持双路和四路SPI接口，具有较高的数据传输速率。

    存储介质：Nor Flash（闪存）
    时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

    硬件电路

    引脚 功能
    VCC、GND 电源（2.7~3.6V）
    CS（SS） SPI片选
    CLK（SCK） SPI时钟
    DI（MOSI） SPI主机输出从机输入
    DO（MISO） SPI主机输入从机输出
    WP 写保护
    HOLD 数据保持

    看黄色部分即可，左边是外部引脚接口，右边是芯片电路；

    在引脚名上加上一横线表示接通时默认为低电平，VCC与GND连接时会有一个滤波电容进行滤波，还并联一个指示灯表示是否已经通电；

    HOLD数据保持：相当一个暂停键；当你写入数据一半时，要在别的设备使用SPI通信，那么在当前设备你就可以触发HOLD，当前设备的SPI时序就会保持静止，你就可以使用SPI对别的设备进行使用，当回到当前设备时，HOLD解除，会从禁止的SPI时序进行恢复。

    WP写保护：可以通过设置特殊的写保护位来防止数据被修改。有助于保护重要数据免受意外的写操作。

    框图


    上面一大部分就是存储区间，将8M字节的容量分为128块，每个块包含16个扇区，每个扇区有4K字节。每个扇区还包括16个的页区，每个页区有256字节，页是最小单位。

    而写入和读取都由左下角的SPI命令与控制逻辑的黑盒进行控制；
    接着看到上面，是写逻辑和状态寄存器，可以通过状态寄存器来判断是否已经写入数据；
    通过高压发电机来对数据进行擦除；
    下面是页地址锁存器和字节地址锁存器，会对块区间通过行解码和列解码，可以判定你在哪个页区进行写入和读出；
    块区域的下面是一个256字节页缓冲区，数据写入需要一定的时间，会通过缓冲区来进行缓冲。

    FLASH操作注意事项

    写入操作时：
    写入操作前，必须先进行写使能
    每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1
    写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1
    擦除必须按最小擦除单元进行(扇区）
    连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入
    写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作
    读取操作时：
    直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

    软件SPI读写W25Q64

    OLED代码链接入口

    连接方式：

    将数据存储在W25Q64中，通过断电测试它的存储功能；

    大体思路：实现SPI通信的时序条件，接着利用SPI通信实现W25Q64时序，最后在主程序实现对FLASH的测试

    MySPI.c

    #include "stm32f10x.h"                  // Device header

//片选电平
void MySPI_W_SS(uint8_t Byte)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)Byte);
}
//时钟电平
void MySPI_W_SCK(uint8_t Byte)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)Byte);
}
//主机发送到从机
void MySPI_W_MOSI(uint8_t Byte)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)Byte);
}
//从机发送到主机
uint8_t MySPI_R_MISO()
{
    return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}

//初始化
void MySPI_Init()
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU; //上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    MySPI_W_SS(1);
    MySPI_W_SCK(0);
}
//开始
void MySPI_Start()
{
    MySPI_W_SS(0);
}
//结束
void MySPI_Stop()
{
    MySPI_W_SS(1);
}
//交换字节
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t SendByte)
{
    uint8_t ReceiveByte=0x00,i;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        MySPI_W_MOSI(SendByte&(0x80>>i)); //主发送字节
        MySPI_W_SCK(1);
        if(MySPI_R_MISO()==1)ReceiveByte|=(0x80>>i); //主接收字节
        MySPI_W_SCK(0);
        
    }
    return ReceiveByte;
}

    MySPI.h

    #ifndef __MYSPI_H__
#define __MYSPI_H__

void MySPI_Init();
void MySPI_Start();
void MySPI_Stop();
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t SendByte);

#endif

    W25Q64_Ins.h

    #ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H

#define W25Q64_WRITE_ENABLE							0x06
#define W25Q64_WRITE_DISABLE						0x04
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1				0x05
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_2				0x35
#define W25Q64_WRITE_STATUS_REGISTER				0x01
#define W25Q64_PAGE_PROGRAM							0x02
#define W25Q64_QUAD_PAGE_PROGRAM					0x32
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_64KB						0xD8
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_32KB						0x52
#define W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB						0x20
#define W25Q64_CHIP_ERASE							0xC7
#define W25Q64_ERASE_SUSPEND						0x75
#define W25Q64_ERASE_RESUME							0x7A
#define W25Q64_POWER_DOWN							0xB9
#define W25Q64_HIGH_PERFORMANCE_MODE				0xA3
#define W25Q64_CONTINUOUS_READ_MODE_RESET			0xFF
#define W25Q64_RELEASE_POWER_DOWN_HPM_DEVICE_ID		0xAB
#define W25Q64_MANUFACTURER_DEVICE_ID				0x90
#define W25Q64_READ_UNIQUE_ID						0x4B
#define W25Q64_JEDEC_ID								0x9F
#define W25Q64_READ_DATA							0x03
#define W25Q64_FAST_READ							0x0B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_OUTPUT				0x3B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_IO					0xBB
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_OUTPUT				0x6B
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_IO					0xEB
#define W25Q64_OCTAL_WORD_READ_QUAD_IO				0xE3

#define W25Q64_DUMMY_BYTE							0xFF

#endif

    W25Q64.h

    #ifndef __W25Q64_H__
#define __W25Q64_H__

void W25Q64_Init();
void W25Q64_ReadID(uint8_t* HID,uint16_t* SID);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArray,uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t* DataArray,uint16_t Count);

#endif

    W25Q64.c

    #include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "W25Q64_Ins.h"
#include "MySPI.h"

//初始化
void W25Q64_Init()
{
    MySPI_Init();
}
//读ID
void W25Q64_ReadID(uint8_t* HID,uint16_t* SID)
{
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);
    *HID=MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    *SID=MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    *SID<<=8;
    *SID|=MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    MySPI_Stop();
}
//写使能
void W25Q64_WriteEnable()
{
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
    MySPI_Stop();
}
//等待忙状态
void W25Q64_WaitBusy()
{
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
    uint32_t count=10000;
    while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE)&0x01)==0x01||count)
    {
        count--;
       
    }
    
    MySPI_Stop();
}
//页编程
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t* DataArray,uint16_t Count)
{
    W25Q64_WriteEnable();
    uint16_t i;
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
    MySPI_SwapByte(Address<<16);
    MySPI_SwapByte(Address<<8);
    MySPI_SwapByte(Address);
    for(i=0;i<Count;i++)
    {
        MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
    }
    
    MySPI_Stop();
    W25Q64_WaitBusy();
}
//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
    W25Q64_WriteEnable();
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
    MySPI_SwapByte(Address<<16);
    MySPI_SwapByte(Address>>8);
    MySPI_SwapByte(Address);
    MySPI_Stop();
    W25Q64_WaitBusy();
}
//读数据
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArray,uint16_t Count)
{
    uint16_t i;
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
    MySPI_SwapByte(Address<<16);
    MySPI_SwapByte(Address>>8);
    MySPI_SwapByte(Address);
    for(i=0;i<Count;i++)
    {
        DataArray[i]=MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    }
    
    MySPI_Stop();
}

    对于W25Q64来说，需要先对不同的操作先写入对应的地址，

    然后根据手册，写入地址和内容；

    main.c

    #include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "Buzzer.h"
#include "W25Q64.h"
#include "OLED.h"

uint8_t HID;
uint16_t SID;

uint8_t ArrayWrite[]={0xAA,0xBB,0xCC,0xDD};
uint8_t ArrayRead[4];
int main()
{
	OLED_Init();
	W25Q64_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");
    
    W25Q64_ReadID(&HID,&SID);
    OLED_ShowHexNum(1,5,HID,2);
    OLED_ShowHexNum(1,12,SID,4);
    
    W25Q64_SectorErase(0x000100);
    W25Q64_PageProgram(0x000000,ArrayWrite,4);
    
    W25Q64_ReadData(0x000000,ArrayRead,4);
    
    OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);
	
	OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
    while(1)
    {
        
    }
}

    可以通过改变擦除的地址和页编程的地址，以及存储的内容；来进行验证FLASH的注意事项。

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