STM32——SPI通信

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：江科大自化协文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-666354.html

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