代码收藏家 STM32系列：SPI通信详解与实现
11 SPI通信
11.1 SPI通信简介
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：
同步，全双工；
支持总线挂载多设备，只一主多从；
相对于I2C的优缺点：
11.2 SPI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；
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；
11.3 移位示意图
11.4 SPI时序基本单元
起始条件：SS从高电平切换到低电平，表示选中某个从机；
终止条件：SS从低电平切换到高电平，表示结束某个从机的选中状态；
交换一个字节（模式0）；
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）；
11.5 SPI时序
SPI对字节流功能的规定与I2C不同；
发送指令：向SS指定的设备，发送指令（0x06，在W25Q64中，代表写使能）；
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）；
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）；
11.6 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、固件程序存储等场景；
存储介质：Nor Flash（闪存）；
时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)；
存储容量（24位地址）：
11.7 W25Q64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 |
11.8 W25Q64框图
11.9 Flash操作注意事项
11.10 软件SPI读写W24Q64
项目目录结构：
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
MySPI.c：
#include "stm32f10x.h" // Device header
/*引脚配置层*/
/**
* 函 数：SPI写SS引脚电平
* 参 数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平
*/
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue); //根据BitValue，设置SS引脚的电平
}
/**
* 函 数：SPI写SCK引脚电平
* 参 数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCK的电平，范围0~1
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCK为低电平，当BitValue为1时，需要置SCK为高电平
*/
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue); //根据BitValue，设置SCK引脚的电平
}
/**
* 函 数：SPI写MOSI引脚电平
* 参 数：BitValue 协议层传入的当前需要写入MOSI的电平，范围0~1
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置MOSI为低电平，当BitValue为1时，需要置MOSI为高电平
*/
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue); //根据BitValue，设置MOSI引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性
}
/**
* 函 数：I2C读MISO引脚电平
* 参 数：无
* 返 回 值：协议层需要得到的当前MISO的电平，范围0~1
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前MISO为低电平时，返回0，当前MISO为高电平时，返回1
*/
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6); //读取MISO电平并返回
}
/**
* 函 数：SPI初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，实现SS、SCK、MOSI和MISO引脚的初始化
*/
void MySPI_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
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); //将PA4、PA5和PA7引脚初始化为推挽输出
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); //将PA6引脚初始化为上拉输入
/*设置默认电平*/
MySPI_W_SS(1); //SS默认高电平
MySPI_W_SCK(0); //SCK默认低电平
}
/*协议层*/
/**
* 函 数：SPI起始
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Start(void)
{
MySPI_W_SS(0); //拉低SS，开始时序
}
/**
* 函 数：SPI终止
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Stop(void)
{
MySPI_W_SS(1); //拉高SS，终止时序
}
/**
* 函 数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
* 参 数：ByteSend 要发送的一个字节
* 返 回 值：接收的一个字节
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
uint8_t i, ByteReceive = 0x00; //定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到
for (i = 0; i < 8; i ++) //循环8次，依次交换每一位数据
{
/*两个!可以对数据进行两次逻辑取反，作用是把非0值统一转换为1，即：!!(0) = 0，!!(非0) = 1*/
MySPI_W_MOSI(!!(ByteSend & (0x80 >> i))); //使用掩码的方式取出ByteSend的指定一位数据并写入到MOSI线
MySPI_W_SCK(1); //拉高SCK，上升沿移出数据
if (MySPI_R_MISO()){ByteReceive |= (0x80 >> i);} //读取MISO数据，并存储到Byte变量
//当MISO为1时，置变量指定位为1，当MISO为0时，不做处理，指定位为默认的初值0
MySPI_W_SCK(0); //拉低SCK，下降沿移入数据
}
return ByteReceive; //返回接收到的一个字节数据
}、
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);
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.c：
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"
/**
* 函 数：W25Q64初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_Init(void)
{
MySPI_Init(); //先初始化底层的SPI
}
/**
* 函 数：MPU6050读取ID号
* 参 数：MID 工厂ID，使用输出参数的形式返回
* 参 数：DID 设备ID，使用输出参数的形式返回
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); //交换发送读取ID的指令
*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换接收MID，通过输出参数返回
*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换接收DID高8位
*DID <<= 8; //高8位移到高位
*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //或上交换接收DID的低8位，通过输出参数返回
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64写使能
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); //交换发送写使能的指令
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64等待忙
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
uint32_t Timeout;
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); //交换发送读状态寄存器1的指令
Timeout = 100000; //给定超时计数时间
while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) //循环等待忙标志位
{
Timeout --; //等待时，计数值自减
if (Timeout == 0) //自减到0后，等待超时
{
/*超时的错误处理代码，可以添加到此处*/
break; //跳出等待，不等了
}
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64页编程
* 参 数：Address 页编程的起始地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 参 数：DataArray 用于写入数据的数组
* 参 数：Count 要写入数据的数量，范围：0~256
* 返 回 值：无
* 注意事项：写入的地址范围不能跨页
*/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
uint16_t i;
W25Q64_WriteEnable(); //写使能
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM); //交换发送页编程的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
for (i = 0; i < Count; i ++) //循环Count次
{
MySPI_SwapByte(DataArray[i]); //依次在起始地址后写入数据
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
W25Q64_WaitBusy(); //等待忙
}
/**
* 函 数：W25Q64扇区擦除（4KB）
* 参 数：Address 指定扇区的地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
W25Q64_WriteEnable(); //写使能
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB); //交换发送扇区擦除的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
MySPI_Stop(); //SPI终止
W25Q64_WaitBusy(); //等待忙
}
/**
* 函 数：W25Q64读取数据
* 参 数：Address 读取数据的起始地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 参 数：DataArray 用于接收读取数据的数组，通过输出参数返回
* 参 数：Count 要读取数据的数量，范围：0~0x800000
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
uint32_t i;
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA); //交换发送读取数据的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
for (i = 0; i < Count; i ++) //循环Count次
{
DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //依次在起始地址后读取数据
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
main.c：
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"
uint8_t MID; //定义用于存放MID号的变量
uint16_t DID; //定义用于存放DID号的变量
uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04}; //定义要写入数据的测试数组
uint8_t ArrayRead[4]; //定义要读取数据的测试数组
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
W25Q64_Init(); //W25Q64初始化
/*显示静态字符串*/
OLED_ShowString(1, 1, "MID: DID:");
OLED_ShowString(2, 1, "W:");
OLED_ShowString(3, 1, "R:");
/*显示ID号*/
W25Q64_ReadID(&MID, &DID); //获取W25Q64的ID号
OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2); //显示MID
OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4); //显示DID
/*W25Q64功能函数测试*/
W25Q64_SectorErase(0x000000); //扇区擦除
W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4); //将写入数据的测试数组写入到W25Q64中
W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4); //读取刚写入的测试数据到读取数据的测试数组中
/*显示数据*/
OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2); //显示写入数据的测试数组
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); //显示读取数据的测试数组
OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
while (1)
{
}
}
11.11 SPI外设简介
11.12 SPI框图
11.13 SPI基本结构
11.14 主模式全双工连续传输
11.15 非连续传输
11.16 软件/硬件波形对比
11.17 硬件SPI读写W24Q64
项目目录结构：
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
MySPI.c：
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)、void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)、uint8_t MySPI_R_MISO(void)三个函数；MySPI_Init函数中的内容替换为SPI外设的初始化；MySPI_SwapByte函数中的内容替换为硬件SPI的代码；#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数：SPI写SS引脚电平，SS仍由软件模拟
* 参 数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平
*/
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue); //根据BitValue，设置SS引脚的电平
}
/**
* 函 数：SPI初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //开启SPI1的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA4引脚初始化为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
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); //将PA6引脚初始化为上拉输入
/*SPI初始化*/
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; //定义结构体变量
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //模式，选择为SPI主模式
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //方向，选择2线全双工
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //数据宽度，选择为8位
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //先行位，选择高位先行
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128; //波特率分频，选择128分频
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //SPI极性，选择低极性
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS，选择由软件控制
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC多项式，暂时用不到，给默认值7
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1
/*SPI使能*/
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1，开始运行
/*设置默认电平*/
MySPI_W_SS(1); //SS默认高电平
}
/**
* 函 数：SPI起始
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Start(void)
{
MySPI_W_SS(0); //拉低SS，开始时序
}
/**
* 函 数：SPI终止
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Stop(void)
{
MySPI_W_SS(1); //拉高SS，终止时序
}
/**
* 函 数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
* 参 数：ByteSend 要发送的一个字节
* 返 回 值：接收的一个字节
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET); //等待发送数据寄存器空
SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend); //写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET); //等待接收数据寄存器非空
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //读取接收到的数据并返回
}
main.c：
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"
uint8_t MID; //定义用于存放MID号的变量
uint16_t DID; //定义用于存放DID号的变量
uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04}; //定义要写入数据的测试数组
uint8_t ArrayRead[4]; //定义要读取数据的测试数组
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
W25Q64_Init(); //W25Q64初始化
/*显示静态字符串*/
OLED_ShowString(1, 1, "MID: DID:");
OLED_ShowString(2, 1, "W:");
OLED_ShowString(3, 1, "R:");
/*显示ID号*/
W25Q64_ReadID(&MID, &DID); //获取W25Q64的ID号
OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2); //显示MID
OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4); //显示DID
/*W25Q64功能函数测试*/
W25Q64_SectorErase(0x000000); //扇区擦除
W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4); //将写入数据的测试数组写入到W25Q64中
W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4); //读取刚写入的测试数据到读取数据的测试数组中
/*显示数据*/
OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2); //显示写入数据的测试数组
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); //显示读取数据的测试数组
OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
while (1)
{
}
}
作者：木木慕慕
