STM32 SPI通信教程及示例

文章目录

一、SPI通信

二、硬件电路

三、移位示意图

四、SPI时序基本单元

交换一个字节（模式0）【用的多】

交换一个字节（模式1）

交换一个字节（模式2）

交换一个字节（模式3）

五、SPI时序

发送指令：写使能

指定地址写

指定地址读

六、W25Q64简介

七、硬件电路

八、W25Q64框图

九、Flash操作注意事项

十、软件SPI读写W25Q64

电路设计

关键代码

十一、硬件SPI读写W25Q64

一、SPI通信

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线

四根通信线：

SCK（Serial Clock）【CLK或SCL或CK】、

MOSI（Master Output Slave Input）【DO（Data Output）】、

MISO（Master Input Slave Output）【DI（Data Input）】、

SS（Slave Select）【CS或NSS】

同步，全双工

支持总线挂载多设备（一主多从）

SS（Slave Select）从机选择线（可以不止一条），专门用来指定通信的从机地址，相比于I2C在起始条件后的寻址操作方便

没有应答机制

优点：最大传输速度取决于芯片厂商设计需求，比I2C最大400KHZ快

缺点：SPI硬件开销较大，通信线个数较多

与I2C协议相比，I2C协议由于上拉电阻和开漏输出模式，导致其输出高电平的能力弱，直观的：上升沿的耗时长，限制了I2C的最大通信速度

二、硬件电路

所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起

主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚【低电平有效】

输出引脚配置为推挽输出（高低电平驱动能力好），输入引脚配置为浮空或上拉输入

由于SPI通信线都是单端信号， 需要共地

对比：I2C的输出引脚只能配置为复用开漏输出，而不能配置为推挽输出，因为是半双工要切换输入输出，且实现多主机的时钟同步和总线仲裁，配置为推挽输出容易电源短路。而SPI是只有一个主机，无总线总裁，且是全双工，不需要切换线的功能

当从机的SS引脚为高电平时，MISO必须切换为高阻态，这样引脚就不会输出任何电平，此时主机的MISO端口就不会接收到三个从机发送过来的信号，导致冲突

三、移位示意图

高位先行，和I2C一样

SCK低-高电平：主机和从机都会：移位输出
SCK高-低电平：主机和从机都会：采样输入

SPI的数据收发都是基于字节交换这个基本单元进行的

如果只要读取从机数据时：主机可以发送0X00或0XFF去和从机换数据

波特率发生器：即移位寄存器里面的时钟，是由主机提供的，通过SCK外接到从机，保持两个设备的同步

中间还少画了输出数据寄存器，保存一位数据，作为SCK高低电平转换时候存储数据的中转站

四、SPI时序基本单元

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

因为SS是低电平，表示选中一个从机，高电平表示结束从机的选中状态，通信结束

交换一个字节（模式0）【用的多】

可以配置两个位，时钟极性和时钟相位

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

SCK第一个边沿之前就需要移出数据，可以理解为在第零个边沿移出数据，那么在什么时候移出数据呢，此时不是用SCK线作为参考，而是使用SS线，在SS变为低电平的时候就开始移出数据

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

ps：MISO一条线表示高阻态
MOSI和MISO出现X表示数据的移动

交换一个字节（模式2）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

交换一个字节（模式3）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

五、SPI时序

通常采用：指令码+读写数据的模型，起始条件后第一个字节为指令码，在从机中会有指令集，指导从机完成相应功能，指令集也定义了该指令需要携带什么数据

举例W25Q64中指令的使用：

发送指令：写使能

向SS指定的设备，发送指令（0x06），主机用0x06换来从机的0xFF

指定地址写

向SS指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

由于从机W25Q64芯片容量是8M，单个字节不能表示所有地址，所以内存地址为24位，所以起始条件后要发送三个字节指定地址，先发送的是高位地址，后发送的则是低位地址【这是由指令规定好的】

可以完成连续写入，因为SPI也有地址指针，会指向下一个字节的位置

指定地址读

向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

六、W25Q64简介

W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储（汉字字库的点阵数据）、固件程序存储（XIP，就地执行）等场景

存储介质：Nor Flash（闪存）

时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI)/ 320MHz (Quad SPI)

后面两个频率分别表示：一个时钟发2位 和 一个时钟发4位

WP引脚和HOLD引脚也可以用来充当数据传输引脚

存储容量（24位地址）：
W25Q40： 4Mbit / 512KByte
W25Q80： 8Mbit / 1MByte
W25Q16： 16Mbit / 2MByte
W25Q32： 32Mbit / 4MByte
W25Q64： 64Mbit / 8MByte
W25Q128： 128Mbit / 16MByte【24位，最大寻址是16MB】
W25Q256： 256Mbit / 32MByte【可以选4字节地址模式】

习惯使用字节作为基本单元，所以W25Q64的64表示的是64M（位），即8M字节

七、硬件电路

写保护：配置寄存器配置，实现对芯片的写操作失败

数据保持：当需要使用SPI外设完成其他任务时，ss置高电平，此时会丢失时序，通过HOLD引脚，替SPI外设控制该从机的ss为低电平，此时时序就不会丢失【相当于spi总线进入中断，保存了上下文】

八、W25Q64框图

关于地址：

8MB的空间，最后一个字节是7F FF FF h

8MB的空间以64KB为一个基本单元划分多个块，一共128块

一块里以4KB为一个扇区，则有16份，也就是说每一块分为16个扇区

页：可以当做是扇区的进一步划分，也可以当做是对整个存储空间划分。

一页的大小是256（B）字节，一个扇区是4KB（4*1024（B）字节），可以分16页

Control Logic：SPI控制逻辑，负责将外部主控芯片传入的指令和数据进行处理

状态寄存器负责记录：写保护，数据保持，忙状态等

在W25Q64中，状态寄存器有两个，其中状态寄存器1有：busy位和写使能锁存位

写使能锁存位会在执行完写使能后置1，擦除操作会导致写失能，即一个写使能只能保证后续的一条指令执行

写控制逻辑：与外部的wp引脚相连，实现写保护（连接状态寄存器）

高电压发生器：flash掉电不丢失的存储器一般都有高压源，使得数据保持在某个状态

页地址锁存/计数器：保存前两个字节的地址，通过写保护和行解码找到对应的页。计数器负责地址加一操作

字节地址锁存/计数器：保存最后一个字节的地址，通过列解码和256字节缓存找到对应的地址。计数器负责地址加一操作

256字节缓存：RAM存储器，因为SPI高频，而存储空间操作是低频的，需要缓冲。也规定了连续写入的数据量不能超过256字节，数据从缓冲区写入flash时会将状态设置为忙（有连接状态寄存器）

芯片ID：

指令集：

九、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，所以要先执行擦除指令

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【最小的擦除单元是一个扇区】

连续写入多字节时，最多写入一页的数据【即256字节，因为缓冲区的缘故】，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【ps：擦除操作也会进入忙状态】

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

十、软件SPI读写W25Q64

电路设计

关键代码

MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//输出为推挽输出
	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;//输入为上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//初始化后将片选信号置高电平，设置SPI为模式0
	MySPI_W_SS(1);
	MySPI_W_SCK(0);
}


//开始的时序
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}
//结束的时序
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
} 
//模式0，置换一个字节的时序
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		//使用其他模式就是按不同的顺序执行下列代码，以及修改SCK的初始值
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

MySPI.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_H

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

#endif

W25Q64.c

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

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();//底层spi时序初始化
}

//根据指令集写功能函数

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);
	//不同时序调用得到的返回值是不同的
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	MySPI_Stop();
}
//写使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
	MySPI_Stop();
}
//直接读取寄存器的busy位，如果为0则表示不忙，程序返回，否则会阻塞
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)
	{
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}
//按页写入
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable();//写入操作前，必须先进行写使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	//Count不能定义为uint8_t ，因为最大是255字节，而不是256字节
	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();//写入操作前，必须先进行写使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}
//按页读取
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_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);//置换有用数据
	}
	MySPI_Stop();
}

W25Q64.h

#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_H

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

#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

main.c

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

uint8_t MID;
uint16_t DID;

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	OLED_Init();
	W25Q64_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");
	
	W25Q64_ReadID(&MID, &DID);
	OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);
	OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);
	
	W25Q64_SectorErase(0x000000);
	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)
	{
		
	}
}

十一、硬件SPI读写W25Q64

STM32——SPI外设总线

参考视频：江科大自化协