代码收藏家 STM32 SPI通信协议详解
STM32——SPI
一.基本介绍
1.1 SPI介绍
SPI：串行外设设备接口（Serial Peripheral Interface），是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
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功能说明 |
SPI****总线 |
IIC****总线 |
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通信方式 |
同步 串行 全双工 |
同步 串行 半双工 |
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总线接口 |
MOSI、MISO、SCL、CS |
SDA、SCL |
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拓扑结构 |
一主多从/一主一从 |
多主从 |
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从机选择 |
片选引脚选择 |
SDA上设备地址片选 |
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通信速率 |
一般50MHz以下 |
100kHz、400kHz、3.4MHz |
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数据格式 |
8位/16位 |
8位 |
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传输顺序 |
MSB/LSB |
MSB |
SPI接口主要应用在存储芯片、AD转换器以及LCD中。
1.2 SPI框图
① SPI相关引脚
MOSI（输出数据线）
MISO（输入数据线）
SCK（时钟）
NSS（片选）
② 数据发送和接收
与缓冲区、移位寄存器以及引脚相关
③ 时钟信号
SPI时钟信号是通过SPI_CR1寄存器配置
④ 主控制逻辑
涉及两个控制寄存器SPI_CR1/2用于配置SPI工作，SPI_SR用于查看工作状态
1.3 SPI外设对应的引脚
STM32芯片有多个SPI外设，每个SPI外设输出的信号会到不同的GPIO口。
STM32F1有三个SPI。
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F1 |
引脚 |
SPI1 |
SPI2 |
SPI3 |
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NSS |
PA4 |
PB12 |
PA15 |
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CLK |
PA5 |
PB13 |
PB3 |
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MISO |
PA6 |
PB14 |
PB4 |
|
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MOSI |
PA7 |
PB15 |
PB5 |
F4 / F7 / H7 系列芯片SPI外设都有6个，分别为SPI1、SPI2、SPI3、SPI4、SPI5和SPI6。
二.工作原理
2.1 数据发送接收简图
2.2 SPI工作模式
时钟极性(CPOL)：
没有数据传输时时钟线的空闲状态电平
0：SCK在空闲状态保持低电平
1：SCK在空闲状态保持高电平
时钟相位(CPHA)：
时钟线在第几个时钟边沿采样数据
0：SCK的第一(奇数)边沿进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存
1：SCK的第二(偶数)边沿进行数据位采样，数据在第二个时钟边沿被锁存
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SPI工作模式 |
CPOL |
CPHA |
SCL空闲状态 |
采样边沿 |
采样时刻 |
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0 |
0 |
0 |
低电平 |
上升沿 |
奇数边沿 |
|
1 |
0 |
1 |
低电平 |
下降沿 |
偶数边沿 |
|
2 |
1 |
0 |
高电平 |
下降沿 |
奇数边沿 |
|
3 |
1 |
1 |
高电平 |
上升沿 |
偶数边沿 |
2.3 SPIHAL库
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驱动函数 |
关联寄存器 |
功能描述 |
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__HAL_RCC_SPIx_CLK_ENABLE(…) |
RCC_APB2ENR |
使能SPIx时钟 |
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HAL_SPI_Init**(…)** |
SPI_CR1 |
初始化SPI |
|
HAL_SPI_MspInit**(…)** |
初始化回调 |
初始化SPI相关引脚 |
|
HAL_SPI_Transmit**(…)** |
SPI_DR/SPI_SR |
SPI发送 |
|
HAL_SPI_Receive**(…)** |
SPI_DR/SPI_SR |
SPI接收 |
|
HAL_SPI_TransmitReceive**(…)** |
SPI_DR/SPI_SR |
SPI接收发送 |
|
__HAL_SPI_ENABLE(…) |
SPI_CR1(SPE) |
使能SPI外设 |
|
__HAL_SPI_DISABLE(…) |
SPI_CR1(SPE) |
失能SPI外设 |
三.NOR FLASH
3.1 NOR FLASH介绍
FLASH是常用的用于储存数据的半导体器件，它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除、掉电后数据可继续保存的特性。
FLASH主要有NOR Flash和NAND Flash两种类型，NOR和NAND是两种数字门电路。
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类型 |
特点 |
应用举例 |
|
NOR FLASH |
基于字节读写，读取速度快，独立地址/数据线，无坏块，支持XIP |
25Qxx、程序ROM |
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NAND FLASH |
基于块读写，读取速度稍慢，地址数据线共用，有坏块，不支持XIP |
EMMC、SSD、U盘等 |
3.1.1 NM25Q128介绍
NM25Q128，串行闪存器件，属于NOR FLASH中的一种，容量为128 Mb。擦写周期可达10W次，可以将数据保存达20年之久
NM25Q128存储结构：
3.2 NOR FLASH常用指令
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指令**(HEX)** |
名称 |
作用 |
|
0X06 |
写使能 |
写入数据/擦除之前，必须先发送该指令 |
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0X05 |
读SR1 |
判定FLASH是否处于空闲状态，擦除用 |
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0X03 |
读数据 |
用于读取NOR FLASH数据 |
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0X02 |
页写 |
用于写入NOR FLASH数据，最多写256字节 |
|
0X20 |
扇区擦除 |
扇区擦除指令，最小擦除单位（4096字节） |
写使能：
读状态寄存器Read Status Reg1（05H）：
读时序 Read Data Bytes（03H）：
页写时序：
扇区擦除时序 Sector Erase（20H）：
状态寄存器表：
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状态寄存器 |
Bit7 |
Bit6 |
Bit5 |
Bit4 |
Bit3 |
Bit2 |
Bit1 |
Bit0 |
|
状态寄存器1 |
SPR |
RV |
TB |
BP2 |
BP1 |
BP0 |
WEL |
BUSY |
|
状态寄存器2 |
SUS |
CMP |
LB3 |
LB2 |
LB1 |
(R) |
QE |
SRP1 |
|
状态寄存器3 |
HOLD/RST |
DRV1 |
DRV0 |
(R) |
(R) |
WPS |
ADP |
ADS |
BUSY位 指示当前状态 0：空闲状态(硬件自动清除) 1：当前处于忙碌状态
WEL位 执行WriteEnable指令该位为1，可以页写/扇区or块or片擦除/写状态寄存器 0：写禁止，不能页编程/扇区or块or片擦除/写状态寄存器
3.3 NOR FLASH基本驱动步骤
SPI配置：
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步骤 |
操作 |
函数 |
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1 |
SPI工作参数配置初始化 |
工作模式、时钟极性、时钟相位等HAL_SPI_Init |
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2 |
使能SPI时钟和初始化相关引脚 |
GPIO模式设为复用推挽输出模式HAL_SPI_MspInit |
|
3 |
使能SPI |
__HAL_SPI_ENABLE |
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4 |
SPI传输数据 |
HAL_SPI_Transmit 发送数据HAL_SPI_Receive 接收数据HAL_SPI_TransmitReceive 进行发送与接收 |
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5 |
设置SPI传输速度 |
操作SPI_CR1寄存器中的波特率控制位 |
NM25Q128配置：
|
步骤 |
操作 |
函数 |
|
1 |
初始化片选引脚与SPI接口 |
相关GPIO初始化、SPI初始化（模式、位数、分频、MSB等） |
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2 |
NM25Q128 读取 |
0x03指令 + 24位地址 + 读取数据 |
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3 |
NM25Q128 扇区擦除 |
0x06指令 + 等待空闲 + 0x20指令 + 24位地址 + 等待空闲 |
|
4 |
NM25Q128 写入 |
擦除扇区（可选）+ 0x06指令 + 0x02指令+ 24位地址 + 写入数据 + 等待空闲 |
