STM32 SPI通信教程（上篇）

一、SPI通信协议

SPI 为全双工

SPI共有四根通信线：SCK（串行时钟线）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、SS（从机选择）。

1.1、硬件电路

1. 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
2. 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
3. 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入
4. SPI通信线为单端信号，器电平高低都是相对GND的电压差，因此所有设备需共地。

1.2、SPI 数据传输流程

在时钟驱动（波特率发生器）下，SPI主机与从机的移位寄存器在每个上升沿时，发生一个数据位的数据交换，主机移位寄存器数据左移一位数据，置于MOSI，从机数据寄存器同样左移一个数据位，将一位数据置于MISO，如下图。最终两个寄存器完成数据交换。

1.3、SPI 基本时序单元

1.3.1、SPI起始条件&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

1.3.2、交换一个字节

SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系。CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，此位对主模式和从模式下的设备都有效。

如果CPOL被清 '0'，SCK引脚在空闲状态保持低电平；

如果CPOL被置 '1'，SCK引脚在空闲状态保持高电平。
 

如果 CPHA(时钟相位) 位被置  '1'，SCK时钟的第二个边沿  (CPOL位为0时就是下降沿，CPOL位为'1'时就是上升沿)  进行数据位的采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。

如果CPHA位被清  '0’，SCK时钟的第一边沿  (CPOL位为0时就是上升沿，CPOL位为’1时就是下降沿)  进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存

1.3.2.1、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

        CPOL=0，  SCK引脚在空闲状态保持低电平，CPHA=0，需要在SCK第一个边沿采集数据，即读取数据，根据1.2、SPI数据传输流程，需要我们在采集数据之前先移出数据，因此在SS下降沿时，MOSI与MISO将数据提前放置到线上，待SCK在第一个边沿到来时（上升沿），即可读取数据。

        由于SPI同时连接多个从机，为避免多从机同时输入，因此在SS未被选中状态时，将从机MISO引脚关断输出，即配置为高组态。因此上图中的MISO开始与结束时都用一个处于中间的先表示处于高组态。

1.3.2.2、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

 CPOL=0，  SCK引脚在空闲状态保持低电平，CPHA=1，需要在SCK第二个边沿采集数据，那第一个边沿需要移出数据。

1.3.2.3、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

除 CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平外，其余与模式0无差。

1.3.2.4、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

1.3.3、指定地址写

SPI 对于字节流的传输采用的是 指令码+读写数据 的方式，即起始条件开始后，主机第一个交换发给从机的数据一般成为指令码， 在从机中有对应的指令集，从机会根据接受到的指令码完成相应的指令集内容。

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）。由于本例采用的W65Q24芯片有8M字节存储空间，需要用到24位地址。

其中，第一个发送的数据 0x20，为指令码，对应写指令（W65Q24芯片）。

1.3.4、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）。

二、W25Q64芯片介绍

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、固件程序存储等场景。

2.1、硬件电路

HOLD：遇中断离开时，可保存当前时序。

2.2、W25Q64硬件结构介绍

2.2.1、Flash 存储区域划分

【1】蓝色框选部分为W25Q64全部存储空间，存储器以字节为单位，且每个字节有唯一一个地址k，首地址为000000h（h代表16进制），最后一个地址位7FFFFFh。

【2】在蓝色框选部分内，又以 64KB为一个基本单元，分为若干块（Block）。由于W25Q64存储单元为8M，因此，蓝色框选部分共分为 8*1024/64=128 块。下图为 块0（Block0）地址，红色部分为起始地址，蓝色为结束地址。

【3】在 块（Block） 中又分为 多个扇区（Sector）。在扇区中，以4KB为单位，将64KB的 块（Block）切分为16 个扇区（Sector）。下图为 扇区（Sector）地址，红色部分为起始地址，蓝色为结束地址。

【4】在写入数据是，还会有一个比 扇区（Sector）更小的划分 页（Page），页大小为 256个字节，每个4KB大小的扇区（Sector）可分为 4*1024/256=16 页。图中黄色框选部分为页起始地址，绿色为页终止地址，变化范围是 xx xx 00~xx xx FF。

2.2.2、W25Q64控制框图解析

下图红色框选部分为 控制逻辑，管理整个芯片运作。蓝色部分为状态寄存器，用于检查芯片是否处于忙状态，是否写使能，是否写保护等；

黄色框选部分为高压生成器，用于配合Flash 编程（Flash掉电不丢失，需要高压刺激。）

绿色框选部分别为页地址锁存寄存器/计数器、字节锁存寄存器/计数器，用于指定地址。例如通过SPI 发送3个地址数据，高两位字节地址进入页地址锁存寄存器/计数器，低位字节地址进入字节锁存寄存器/计数器。

页地址锁存寄存器/计数器会通过 写保护和行解码（红色圈起部分），选择要操作的页数。

字节锁存寄存器/计数器会通过列解码和256字节页缓存，进行指定字节读写操作

2.3、Flash 操作事项

2.3.1、写操作

写入操作前，必须先进行写使能（防止误操作）

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（4KB）进行

连续写入多字节时，最多写入一页的数据（即256KB），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

2.3.2、读取操作

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。

2.4、指令集

页面程序为页编程，有256KB大小限制。

为使代码具有可读性，在代码中一般通过宏定义将指令集转换成可读性语言，如下列代码。

#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  //无用数据

#endif

三、功能代码（SPI软件读写W25Q64）

引脚接线图

3.1、MySPI.c文件

该层位SPI的通信协议层，可以认为是底层代码，用于开启时钟以及定义SPI工作基本时序。

3.1.1、MySPI_Init

void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	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;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

其中引脚 4 5 7为推挽输出，引脚6为上拉输入（1.1、硬件电路已说明）。

31.2、引脚操作

//操作ss
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA ,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}
//操作SCLK
void MySPI_W_SCLK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA ,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue);
}
//操作MOSI
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA ,GPIO_Pin_7,(BitAction)BitValue);
}
//操作MISO
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}

由于需要人工手动翻转SCLK 以及 MISO、MOSI等引脚，所以为了便捷，将引脚翻转等操作封装为函数方便调用与移植。

3.1.3、基本时序

void MySPI_Star(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
	MySPI_W_SCLK(0);//使用模式0
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

//模式0
uint8_t MySPI_WriteRead_0(uint8_t Bytesend)
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MySPI_W_MOSI(Bytesend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCLK(1);
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCLK(0);
	}
	return ByteReceive;
}

对于模式的选择，是在  Star 中添加MySPI_W_SCLK()函数，通过翻转引脚高低电平实现。

3.2、W25Q64.c文件

该层是一个通信层，是基于底层文件MySPI.c文件运行。

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

//写使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Star();
	MySPI_WriteRead_0(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	MySPI_Stop();
}

//读取状态寄存器
void W25Q64_WaitBusy()
{
	uint32_t Timeout=100000;
	MySPI_Star();
	MySPI_WriteRead_0(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timeout--;
	while((MySPI_WriteRead_0(W25Q64_DUMMY_BYTE)&0x01)==1)
	{
		if(Timeout==0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

//页编程
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint16_t Count)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	uint16_t i;
	MySPI_Star();
	MySPI_WriteRead_0(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>16);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>8);
	MySPI_WriteRead_0(Address);
	for(i=0;i<Count;i++)
	{
		MySPI_WriteRead_0(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	W25Q64_WaitBusy();
}

//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	MySPI_Star();
	MySPI_WriteRead_0(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB	);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>16);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>8);
	MySPI_WriteRead_0(Address);
	MySPI_Stop();
	W25Q64_WaitBusy();
}

//读取数据
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Star();
	MySPI_WriteRead_0(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>16);
	MySPI_WriteRead_0(Address>>8);
	MySPI_WriteRead_0(Address);
	for(i=0;i<Count;i++)
	{
		DataArray[i]=MySPI_WriteRead_0(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}
	MySPI_Stop();
}

【1】代码中写使能是因为2.3、Flash操作中规定，写入操作前需要先写使能。因此有页编程、扇区擦除需要添加写使能代码 W25Q64_WriteEnable（）。并且由于写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作，因此需要再写入操作后加入等待状态标志位，所以页编程以及、扇区写入后会添加 等待标志位代码 W25Q64_WaitBusy（）。读取数据无需添加（也可添加），因为芯片无非是 读、写以及擦除操作，写与擦书等待说明芯片处于读的忙状态。

【2】读取状态寄存器，是为了判断芯片是否处于忙状态。添加Timeout 是为了防止程序在while中卡死，可以及时跳出。Timeout 数值不可过小，否则未等到芯片不忙状态就跳出。读取状态寄存器仅需要判断最后一位 BUSY 位，为1时 处于忙状态，0是为空闲状态。

【3】页编程：即为写入数据，对应1.3.3、指定地址写，页编程实现的是数据的发送，而 MySPI_WriteRead_0 是页编程发送的基础或者手段。也可以理解为  MySPI_WriteRead_0 仅发送一个字节，对于长数据的发送不便，需要调用过多 MySPI_WriteRead_0 函数，如若封装，使用更加方便。

注意，参数中由于W25Q64为24位地址，因此参数类型选择uint32_t，而参数3：coumt的类型为uint16_t，因为Flash为最大存储量256zi，若选择uint8_t，取值范围是0~255，不能取到256。
 

以上即为本节内容（已舍去main 现象内容。后续会适当补充）

作者：橘洲青年