代码收藏家技术教程 2023-02-24

STM32单片机初学者：如何使用SPI Flash（W25Q128）进行数据读写

当使用单片机进行项目开发，涉及大量数据需要储存时（例如使用了屏幕作为显示设备，常常需要存储图片、动画等数据），单靠单片机内部的Flash往往是不够用的。

如STM32F103系列，内部Flash最多只能达到512KByte，假设要储存240*240分辨率、64K彩色图片，只够存储4张左右。如果使用外置储存器，将图片等其他数据放置在外置储存器，内部Flash只储存程序，就能减小内部Flash的需求，降低成本。 Flash种类有很多，按其制程和制作工艺的不同可分为NOR Flash、NAND Flash。NAND的串行结构使得其容量很容易做的很大（SD卡、U盘、硬盘大都采用该类Flash），但是其读取速度却比不上并行结构的NOR Flash，且可靠性要差些，一旦出现数据块坏点，是不可逆、无法修复的。由于其数据存储原理，Flash在写入新的数据之前，都需要将数据地址所在的块擦除，NOR Flash的擦除速度比NAND慢很多。

Flash按其数据传输方式的不同可分为并口传输与串口传输。STM32的并口传输需使用FSMC接口，虽然其读写速度很快，但对于100PIN脚以下的封装是不带FSMC功能的。

所以使用更多的是串口传输方式。串口方式一般采用的是SPI通讯。

W25Q系列Flash是Winbond（台湾华邦科技）生产的SPI Flash系列，是单片机开发中比较常用的外置Flash。其支持标准四线SPI、Dual SPI、Quad SPI、QPI，其时钟频率分别可达到104MHz、208MHz、416MHz。对于STM32F103系列，其主频最高72MHz（SPI通信速率最高18Mbps），所以标准SPI就已经是足够F103系列单片机使用了。这里我使用W25Q128FV来讲解Flash的使用。

先来了解其引脚定义，上面展示的是SOP8封装，还有SOP16封装的，功能都是差不多的。

/CS: Flash的片选引脚。当/CS高时，Flash的串行数据输出(DO或IO0、IO1、IO2、IO3)引脚处于高阻抗，此时设备功耗将处于待机水平（除非正在进行内部擦除、程序或写入状态寄存器周期）。当/CS为低电平，Flash将被选中，功耗将增加到活动水平，并且可以向该设备写入指令和从该设备读取数据。启动后，/CS必须从高电平转换到低电平，才能接受新的指令。

DO(IO1):DO指数据输出口(Data Out)，一般连接到单片机SPI接口的数据输入端，即MISO。IO1是其复用功能，当启用SPI四位传输模式时，该引脚功能为IO1.

/WP:写保护(WP)引脚。可以用来防止状态寄存器被写入。与状态寄存器的块保护(CMP, SEC, TB, BP2, BP1和BPO)位和状态寄存器保护(SRP)位一起使用，小到4KB扇区或整个内存阵列都可以被硬件保护。/WP引脚低电平有效。当状态寄存器2的QE位设置为Quad I/O时，/WP引脚功能不可用，因为该引脚用于IO2。如果不想使用该功能，可以直接将该引脚接VCC。

GND:Flash的供电GND

DI:DI指数据输入口(Data In)，一般连接到单片机SPI接口的数据输出端，即MOSI。IO0是其复用功能，当启用SPI四位传输模式时，该引脚为IO0

CLK:SPI时钟线。连接至单片机的SPI时钟接口。

/HOLD，/RESET:/HOLD能让设备主动暂停数据传输。当/HOLD低时，而/CS低时，DO引脚将处于高阻抗，Dl和CLK引脚上的信号将被忽略。当/HOLD调高时，设备可以恢复运行。当多个设备共享相同的SPl信号时，/HOLD就能发挥作用。 /RESET引脚用于设备复位。注意，如果在写入数据时复位，可能会造成数据丢失。所以如果不需要给Flash复位，该引脚常常直接与VCC相接。

VCC:Flash供电电源3.3V。

不管何种存储器，在进行数据读写时都需要知道数据的地址。数据存储在寄存器中，所以数据的地址即寄存器地址。我们来看看W25Q128的内部原理图。

其内部是由数据存储单元和各种控制器组成。

存储单元的最小单位为一个寄存器，每个寄存器可存储1个字节的数据。

每256个寄存器组成一页(Page)，也就是一页能存储256Byte数据，

每16页组成一个扇区(Sector)，一个扇区能储存16×256=4096Byte数据(近似4KB)。比如扇区0的数据地址范围为000000 h-000FFF h。

每16个扇区又组成一个块(Block)，一个块能储存4096×16=65536Byte数据(近似64K)。例如块0的数据地址范围为000000 h-00FFFF h 。

整个存储单元共256个块，所以其总存储容量为256×65536=16777216Byte数据，近似为16MByte。数据地址范围为000000 h-FFFFFF h。

不管何种外设，都是通过发送命令与数据来控制的。Flash也不例外，所以需要知道如何使用Flash，只需在其技术手册上找到其命令表即可。

可用的命令有很多，但常用的就一部分。

现在我们来讲解程序里如何实现STM32F103读写SPI Flash的数据。

这里我使用的是SPI2，硬件连接如下。

再来看程序部分：

1.SPI2初始化。为了将读出来的数据显示出来，这里我使用串口将数据传输到电脑上。所以对usart1也初始化。

void SPI2_UserInit(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//使能GPIOB的时钟

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_15;    //PA13为SCK时钟，PA15为MISO
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			//速度50MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;			//复用推挽输出
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;					//PA14为MISO
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			    //速度50MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;			//浮空输入
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;					//PA12为片选
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			    //速度50MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;				//复用推挽输出
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
  SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);		     //使能SPI时钟
	
  SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//设置双向双线全双工
  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;						//设置为SPI主站
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;					//设置为8位帧结构
  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;					//串行时钟的稳态为时钟高
  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;		//位捕获的时钟活动沿为第1个时钟沿
  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;					//指定NSS信号由软件控制
  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;    //波特率预分频值
  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;					//数据位从MSB开始
  SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;								//CRC检验
  SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);							//按以上设置初始化SPI2
 
  SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);							//使能SPI2
  GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);	            	//CS置高
}

void USART1_Userinit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;    //PA9为USART1_TX将这个GPIO初始化
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			//速度50MHz
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;				//复用推挽输出
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;	//PA10为USART_RX，将这个GPIO初始化
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			//速度50MHz
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;		//浮空输入
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
		
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;						//定义USART配置结构体
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);		//打开USART1时钟
	
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; 					//波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;		//数据帧位数 
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; 			//停止位数目
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; 			//奇偶模式(USART_Parity_No 无,USART_Parity_Even 偶SART_Parity_Odd奇）
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; 	//硬件流控制模式
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx| USART_Mode_Rx; 									//发送、接收使能
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);											//初始化
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);																			//使能USART1串口	
	
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE, ENABLE);		//使能USART1接收中断
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;				//中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;	//抢占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =3;				//子优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;					//使能中断
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);									//初始化中断
	
}

2.发送命令或者读写数据都是通过最基本的发送数据、接受数据函数来实现。为了不出现数据丢失，每次发送数据前都需要判断上次发送的数据是否已经发送玩，这可以通过相关标志位来判断;同样，为了不出现数据重复，每次接收数据前都要判断接收缓存区是否为空。

void Flash_WriteData8(u8 Data)	//写8位数据（1个字节）
{
	u8 Wait=0;	
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET&&Wait<20) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位，RESET表示正在发送数据
	{
		Wait++;//循环计数200，计数200此（大概20us），不管是否标志位为空，都退出等待
	}
	SPI_I2S_ClearFlag(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE);    //清除发送完成标志位
	SPI_I2S_SendData(SPI2,Data);				//发送Data
	
}

u8 Flash_ReadData( )														//读一个字节
{		
	u8 Wait=0;
	SPI_I2S_SendData(SPI2,0xff);									//发送0x00，产生时钟信号，用来接收数据，也可以发送其他无响应的命令
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET&&Wait<200) //检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位
	{
		Wait++;	
	}	
	SPI_I2S_ClearFlag(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);	//清除标志位
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);						 //返回通过SPI2最近接收的数据			
}

需要注意：在接受数据的函数中，之所以在SPI_I2S_ReceiveData(SPI2)函数之前要使用SPI_I2S_SendData(SPI2,0xff)函数，是为了产生时钟信号。

SPI采用的是主从通信结构，时钟信号只能由主设备产生，主设备发送数据的过程中会产生时钟信号，但是从设备发送数据时并不能自己产生时钟信号，所以就无法将数据一位一位发送出去（同步通信必须依靠时钟信号保持时序一致），那就只能依靠主设备产生时钟信号。主设备发送的0xFF，对从设备来说，是无效的数据，不会对该数据做出响应，但是主设备发送0xFF这个数据的时候，产生了时钟信号，所以从设备就依靠这段时钟信号，将数据发送给了主设备，主设备接受会暂存在接收缓存寄存器中，等接受到新的数据自动更新缓存器。

具体的通信时序可查阅W25Q128的技术手册（W25Q128FV_PDF_数据手册_Datasheet），这里就不一一列举了。

3.把W25Q128常用的命令封装成函数，只要调用对应的函数，就能实现命令的发送与数据的读写

#define Flash_CS_H() GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12)		//Flash 片选信号
#define Flash_CS_L() GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12)      //低电平选中，高电平取消选中

/*****W25Q128常用命令定义*****/
#define W25X_WriteEnable		0x06 		//写使能
#define W25X_WriteDisable		0x04 		//写失能
#define W25X_ReadStatusReg		0x05 		//读控制寄存器
#define W25X_WriteStatusReg		0x01 		//写控制寄存器
#define W25X_ReadData			0x03 		//写数据
#define W25X_FastReadData		0x0B 		//快速写数据
#define W25X_FastReadDual		0x3B 		//
#define W25X_PageProgram		0x02 		//页编程
#define W25X_BlockErase32		0x52 		//32K块擦除
#define W25X_BlockErase64		0xD8 		//64K块擦除
#define W25X_SectorErase		0x20 		//4k扇区擦除
#define W25X_ChipErase			0xC7 		//整片擦除
#define W25X_PowerDown			0xB9 		//
#define W25X_ReleasePowerDown	0xAB 	
#define W25X_DeviceID			0xAB 		//读设备ID
#define W25X_ManufactDeviceID	0x90 
#define W25X_JedecDeviceID		0x9F		//读取JEDECID

u8 Flash_ReadSR(void)   									//读状态寄存器
{  
	u8 Byte=0;
	Flash_CS_L();        //CS选中
	Flash_WriteData8(W25X_ReadStatusReg); 	//发送读取状态寄存器命令    
	Byte=Flash_ReadData(); //读取一个字节 
	Flash_CS_H();        //CS取消选中
	return Byte;   
} 
 
void Flash_Write_SR(u8 Sr)   
{                               
	Flash_WriteData8(W25X_WriteStatusReg);	//发送写状态寄存器命令    
	Flash_WriteData8(Sr);               		//写入一个字节                             
}   
 
void Flash_Write_Enable(void)   					//使能写入
{ 
	Flash_CS_L();
  Flash_WriteData8(W25X_WriteEnable); 		//发送写使能
	Flash_CS_H();	
} 
 
void Flash_Write_Disable(void)  		 			//禁止写入
{                     
    Flash_WriteData8(W25X_WriteDisable);  //发送写禁止指令                             
}



u32 Flash_ReadID(void)				//读取设备ID
{
	u32 Temp ;	 
	u8 TempL,TempM,TempH;	
	Flash_CS_L();
	Flash_WriteData8(W25X_JedecDeviceID);								//发送读取ID命令	    
	TempH=Flash_ReadData();			//接收高8位
	TempM=Flash_ReadData();			//接收中8位
	TempL=Flash_ReadData();			//接收低8位
	Temp=TempH;
	Temp<<=8;										//左移8位
	Temp|=TempM;								//高8位与低8位合并成16位（与运算后赋值）
	Temp<<=8;										//左移8位
	Temp|=TempL;								//高8位与低8位合并成16位（与运算后赋值）
	Flash_CS_H();
	return Temp;
} 
void Flash_ReadSector(u32 ReadAddr)  //读一个扇区
{
	u16 i;   										                              
  Flash_WriteData8(W25X_ReadData);         	//发送读取命令   
  Flash_WriteData8((ReadAddr>>16)&0xff);  	//发送24bit地址    
  Flash_WriteData8((ReadAddr>>8)&0xff);   
  Flash_WriteData8(ReadAddr&0xff);   
  for(i=0;i<4096;i++)				//一个扇区4096个Byte
	{ 
     ARR2[i]=Flash_ReadData();   	//循环读取每个字节
  }
}

void Flash_EraseSector(u32 Dst_Addr)   		//擦除扇区
{  	  
  Flash_Write_Enable();                  	//SET WEL 	 
  while((Flash_ReadSR()&0x01)==0x01);  		// 等待BUSY位清空
	{
		
	}
  Flash_WriteData8(W25X_SectorErase);      	//发送扇区擦除指令 
  Flash_WriteData8((Dst_Addr>>16)&0xff);  	//发送24bit地址    
  Flash_WriteData8((Dst_Addr>>8)&0xff);   
  Flash_WriteData8(Dst_Addr&0xff); 
	while((Flash_ReadSR()&0x01)==0x01);  		// 等待BUSY位清空
	{
		
	}
} 

void Flash_WritePage(u32 WriteAddr,u8 NumByteToWrite)
{
	u8 i;  
	Flash_Write_Enable();                  		//写使能 
	Flash_CS_L();
	Flash_WriteData8(W25X_PageProgram);      	//发送写页命令   
	Flash_WriteData8((WriteAddr>>16)&0xff); 	//发送24bit地址    
	Flash_WriteData8((WriteAddr>>8)&0xff);   
	Flash_WriteData8(WriteAddr&0xff);   
	for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)
	{
		Flash_WriteData8(ARR1[i]);
	} 
    Flash_CS_H();
}

void Flash_WriteByte(u32 WriteAddr,u8 Data)		//写入一个字节
{
	Flash_Write_Enable();                  		//写使能 
	Flash_CS_L();
	Flash_WriteData8(W25X_PageProgram);      	//发送写页命令   
	Flash_WriteData8((WriteAddr>>16)&0xff); 	//发送24bit地址    
	Flash_WriteData8((WriteAddr>>8)&0xff);   
	Flash_WriteData8(WriteAddr&0xff);   
	Flash_WriteData8(Data); 
    Flash_CS_H();
}

4.主函数。先读取设备ID，然后将数组ARR1的数据写入Flash的扇区0，再将扇区0的数据读取出来放在数组ARR2中，通过串口将ARR2的数据显示到电脑（串口调试助手）。

#include<stm32f10x.h>

u8 ARR1[10]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A};//随意填入几个元素，后面将其元素写入Flash中
u8 ARR2[10];    //后面将Flash的数据读出来，复制到该数组中

void USART_SendDatatoUSB( char ASCII[])    //串口发送字符串函数
{
	u8 i,j,Wait;
	for(i=0;i<12;i++)
	{
		u8 Wait=0;				 	
		while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET&&Wait<200) 
		{
			Wait++;//循环计数200，计数200此（大概20us），不管是否标志位为空，都退出等待
		}
		USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC);
		j=ASCII[i];
		USART_SendData(USART1,j);
	}
	Wait=0;
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET&&Wait<200) 
	{
		Wait++;//循环计数200，计数200此（大概20us），不管是否标志位为空，都退出等待
	}
	USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC);
	USART_SendData(USART1,10);	//换行	
}

int main()
{
    SPI2_UserInit();			//SPI2初始化----控制SPI Flash
    USART1_Userinit();			//USART1初始化--控制串口CH340
    
    Flash_Write_Enable();    //Flash写使能
    USART_SendDatatoUSB( "Flash:ID")
	
	Data=Flash_ReadID();    //读取ID(16位)
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET)
    {

     }
	USART_SendData(USART1,(Data>>16)&0xFF);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET)
    {

     }
	USART_SendData(USART1,(Data>>8)&0xFF);

	Flash_EraseSector(0x000000);        //擦除扇区
    USART_SendDatatoUSB( "扇区擦除完成");
    Flash_WritePage(0x000000,10);        //写入数据
    USART_SendDatatoUSB( "数据写入成功");
    
    Flash_ReadSector(0x000000)  //读数据
    USART_SendDatatoUSB( "数据读取成功");
    

	for(i=0;i<10;i++)
	{
		u8 Wait=0;				 	
		while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET&&Wait<200) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位，RESET表示正在发送数据
		{
			Wait++;//循环计数200，计数200此（大概20us），不管是否标志位为空，都退出等待
		}
		USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC);
		j=ARR2[i];
		USART_SendData(USART1,j);
	}
}

最后接收到数据如下。