STM32-SPI和W25Q64

本内容基于江协科技STM32视频学习之后整理而得。

1. SPI（串行外设接口）通信

1.1 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：SCK（Serial Clock）串行时钟线、MOSI（Master Output Slave Input）主机输出从机输入、MISO（Master Input Slave Output）主机输入从机输出、SS（Slave Select）从机选择
• 同步，全双工（数据的发送和接收单独用一条线）
• 支持总线挂载多设备（一主多从）

1.2 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

• SCK时钟线由主机控制，对主机来说，时钟线为输出，对所有从机来说，时钟线为输入；
• MOSI：主机是MO，主机输出，从机输入。数据通过MOSI线由主机输出，从机输入。
• MISO：主机输入从机输出。三个从机通过MISO输出，主机通过MISO输入。当从机的SS引脚是高电平时，它的MISO引脚，必须切换为高阻态，相当于引脚断开，不输出任何电平。这样就可以防止，一条线有多个输出，而导致的电平冲突问题。在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出。
• SS线低电平有效。

1.3 移位示意图

• 移位寄存器有一个时钟输入端，SPI一般都是高位先行的，所以，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位。移位寄存器的时钟源是由主机提供的，这里叫做波特率发生器，它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位。同时，这个时钟也通过SCK引脚进行输出，接到从机的移位寄存器里。
• 主机移位寄存器左边移出去的数据通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边。从机移位寄存器左边移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边。
• 波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上。波特率发生器时钟的下降沿，引脚上的位，采样输入到移位寄存器的最低位。
• SPI通信的基础是交换一个字节，可以实现发送一个字节、接收一个字节、发送同时接收一个字节。

1.4 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

• 交换一个字节（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(Clock Polarity)时钟极性
  • CPHA(Clock Phase)时钟相位：决定是第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入，
    

• 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

  • SS为高电平时，MISO为高阻态。SS下降沿之后，从机的MISO被允许开启输出；SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻态。
  • SCK上升沿时，主机和从机同时移出数据，主机通过MOSI移出最高位，此时MOSI的电平就表示了主机要发送数据的B7；从机通过MISO移出最高位，MISO的电平就表示了从机要发送数据的B7，时钟运行产生下降沿，此时主机和从机同时移入数据，也就是进行数据采样，主机移出的B7进入从机移位寄存器的最低位，从机移出的B7进入主机移位寄存器的最低位。这样，一个时钟脉冲产生完毕，一个数据位传输完毕。当主机和从机完成了一个字节的数据交换后，如果主机只想交换一个字节，那这时可以置SS为高电平，结束通信。在SS的上升沿，MOSI还可以再变化一次，将MOSI置到一个默认的高电平或低电平，但MISO，从机必须置回高组态，如果主机的MISO为上拉输入的话，则MISO引脚的电平就是默认的高电平，如果主机MISO为浮空输入，则MISO引脚的电平不确定。
    

• 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

1.5 SPI时序

1.5.1 发送指令

• 发送指令
• 向SS指定的设备，发送指令（0x06）。0x06是写使能指令，

SPI采用指令码加读写数据的模型。SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据一般叫做指令码，在从机中，对应的会定义一个指令集，当需要发送什么指令时，就可以在起始后第一个字节，发送指令集里面的数据，这样就能指导从机完成相应的功能了。不同的指令，可以有不同的数据个数。有的指令，只需要一个字节的指令码就可以完成。而有的指令，后面就需要再跟要读写的数据。

1.5.2 指定地址写

• 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）

1.5.3 指定地址读

• 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）

2. W25Q64

2.1 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）：

  W25Q40： 4Mbit / 512KByte
  W25Q80： 8Mbit / 1MByte
  W25Q16： 16Mbit / 2MByte
  W25Q32： 32Mbit / 4MByte
  W25Q64： 64Mbit / 8MByte
  W25Q128： 128Mbit / 16MByte
  W25Q256： 256Mbit / 32MByte

2.2 硬件电路

• CS：低电平有效。
• WP：写保护，配合内部的寄存器配置，可以实现硬件的写保护。低电平有效，WP接低电平，保护住，不让写；WP接高电平，不保护，可以写。
• C1：滤波；R1和D1电源指示灯，接通电源就亮。

2.3 W25Q64框图

• 存储器以字节为单位，每个字节都有唯一的地址。W25Q64的地址宽度是24位，3个字节。24位地址，最大寻址范围是16MB，该芯片只有8MB，所以地址空间只用了一半。8MB的空间排到最后一个字节就是7F FF FF。
• 在整个空间中以64KB为一个基本单元，划分为若干的块Block，8*1024/64=128块。每一块再进行更细的划分，以4KB进行划分，分为16个扇区Sector。页是256个字节，一个扇区是4KB，以256个字节划分，得到4*1024/256=16页。每一行为一页，一页内的地址变化，仅限于地址的最低一个字节。
• 控制逻辑就是整个芯片的管理员，控制逻辑左边是SPI的通信引脚，这些引脚与主控芯片进行连接，主控芯片通过SPI协议，把指令和数据发给控制逻辑，控制逻辑就会自动去操作内部电路来完成想要的功能。
• 控制逻辑上面的状态寄存器，比如芯片是否处于忙状态、是否写使能、是否写保护等都可以在这个状态寄存器里体现。
• 写控制逻辑与外部的WP引脚相连，是配合WP引脚实现硬件写保护的。
• 高电压生成器：是配合Flash进行编程的，因为Flash是掉电不丢失的，所以需要一个高压源。
• 页地址锁存/计数器、字节地址锁存/计数器：用来指定地址的，
• 通过SPI总共发过来3个字节的地址。因为一页是256字节，所以一页内的字节地址就取决于最低一个字节，而高位的2个字节就对应的是页地址。
• 所以发过来的3个字节的前2个字节会进到页地址锁存计数器里，最后一个字节会进到字节地址锁存计数器里。页地址通过写保护和行解码来选择要操作哪一页。字节地址通过这个列解码和256字节页缓存来进行指定字节的读写操作。又因为地址锁存都是有一个计数器的，所以这个地址指针在读写之后可以自动加1，因此可以实现从指定地址开始，连续读写多个字节的目的。
  256字节的页缓存区是一个256字节的RAM存储器，读写是通过这个RAM缓存区来进行的，写入的数据会先放到缓存区里，然后在时序结束后，芯片再将缓存区的数据复制到对应的Flash里，进行永久保存。
  为什么数据要先进入缓存区呢？是因为SPI写入的频率是非常高的，

2.4 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
• 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（4096个字节）进行
• 连续写入多字节时，最多写入一页（256字节（RAM缓存区））的数据，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

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

2.5 手册指令集

• Write Enable 写使能：06，先起始，再交换一个字节，第一个字节是发送方向，发送0x06指令
• Write Disable写失能：04，起始，交换字节发送指令码04，终止。
• Read Status Register-1 读状态寄存器1：05，起始，交换字节发送指令码05，要读数据，继续交换字节，通过交换读取一个字节，该字节就是状态寄存器的S7-S0，S0是BUSY位，S1是WEL位，主要用来查看忙状态的
• Page Program页编程：02，就是写数据，起始、交换字节发送指令02，然后继续交换发送地址的23-16位、15-8位、7-0位，这三个字节用来指定地址，再之后，就可以写入数据D7-D0，该数据写入到刚才指定的地址下。如果继续交换写入的话，后续的字节就从起始地址开始依次存储，
  Sector Erase(4KB)扇区擦除：20，起始，交换字节发送指令20，之后再交换发送3个字节的地址，终止。发送之后，这个指定地址所在的扇区就会被整个擦除。
• JEDEC ID 读取ID号：9F，起始，交换发送9F，随后继续交换读取3个字节，终止。第一个字节是厂商ID，后两个字节是设备ID，
• Read Data 读取数据：03，起始，交换发送指令03，之后交换发送3个字节的地址，再之后交换读取数据，该数据是3个字节地址下的数据。再继续读取，后面数据就是从指定地址开始依次读存储的数据。

3. SPI外设简介

• STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担
• 可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行
• 时钟频率：fPCLK / 分频系数 = fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
  • APB2的PCLK是72MHz，APB1的PCLK是36MHz。
• 支持多主机模型、主或从操作
• 可精简为半双工/单工通信
• 支持DMA
• 兼容I2S协议
• STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1（挂载在APB2）、SPI2（挂载在APB1）

3.1 SPI框图

• 移位寄存器：右边的数据低位一位一位地从MOSI移出去，
  MISO的数据一位一位地移入到左边的数据高位。
• LSBFIRST是控制低位先行还是高位先行，给0，先发送MSB即高位，给1，先发送LSB即低位
  MOSI与MISO的交叉方框是主要用来进行主从模式引脚变换的。这个SPI外设可以做主机也可以做从机，做主机时，这个交叉就不用，MOSI为MO，主机输出；MISO为MI，主机输入。STM32做从机时，MOSI为SI，从机输入，走交叉路线输入到移位寄存器，MISO为SO，从机输出，也走交叉路线，移位寄存器输出到MISO。
• 接收缓冲区就是接收数据寄存器RDR，发送缓冲区实际上就是发送数据寄存器TDR。TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR。当要发送一系列数据流时，数据写入发送缓冲区，当移位寄存器没有数据移位时，发送缓冲区的数据会立刻转入移位寄存器，开始移位。这个转入时刻会置状态寄存器的TXE为1，表示发送寄存器空。当检查到TXE为1时，下一个数据，就可以提前写入到TDR里了，一旦上个数据发完，下一个数据就可以立刻跟进，实现不间断的连续传输。移位寄存器一旦有数据进来了，就会自动产生时钟，将数据移出去，在移出去的过程中，MISO的数据也会移入，一旦数据移出完成，数据移入也完成。这时，移入的数据就会整体的从移位寄存器转入到接收缓冲区RDR，这个时刻会置状态寄存器的RXNE为1，表示接收寄存器非空。当检查RXNE置1后，就要尽快把数据从RDR读出来，在下一个数据到来之前，读出RDR，可以实现连续接收。否则，如果下一个数据已经收到了，上一个数据还没从RDR读出来，那么RDR的数据就会被覆盖，就不能实现连续的数据流了。
• 波特率发生器用来产生SCK时钟的，内部主要是一个分频器。
• CR1寄存器的三个位BR0、BR1、BR2，用来控制分频系数。
• SPE是SPI使能，就是SPI_Cmd函数配置的位。
• BR配置波特率，就是SCK时钟频率。
• MSTR配置主从模式，1是主模式，0是从模式。
• CPOL和CPHA用来选择SPI的4种模式。
• SR寄存器：TXE为发送寄存器空，RXNE为接收寄存器非空
• CR2寄存器：主要是使能位，如中断使能、DMA使能
• NSS：SS就是从机选择，低电平有效，所以这里前面加了个N。

3.2 SPI基本结构

3.3 主模式全双工连续传输

示例使用SPI模式3。

• SCK默认是高电平，在第一个下降沿，MOSI和MISO移出数据。上升沿移入数据。
• SS置低电平开始时序，在刚开始时，TXE为1，表示TDR空，
• 可以写入数据，指示就是软件写入0xF1至SPI_DR，0xF1就是要发送的第一个数据，写入之后TDR(发送缓冲器)变为0xF1，同时TXE=0，此时，TDR是等候区，移位寄存器才是真正的发送区。等候区TDR中的0xF1就会立刻转入移位寄存器，开始发送。转入瞬间置TXE标志为1，表示发送寄存器空。然后移位寄存器有数据了，波形就自动开始生成 (MISO/MOSI(输出))，数据F1的波形就开始产生了，在移位产生F1波形的同时，等候区TDR是空的，为了移位完成时，下一个数据能不间断地跟随，这里就要提早把下一个数据写入到TDR里等着了，
• 写入F1后，软件等待TEX=1，然后写入0xF2至SPI_DR。写入之后，TDR的内容变成F2了。然后F1数据波形产生完毕后，F2转入移位寄存器开始发送，这时TXE=1，就尽快把下一个数据F3放到TDR里等着（软件等待TEX=1，然后写入0xF3至SPI_DR）.如果只想发送3个数据，F3转入移位寄存器之后，TXE=1，就不需要再继续写入了。在最后一个TXE=1之后，还要继续再等待一段时间，F3的波形才能完整发送完，等波形完全发送完之后，BUSY标志由硬件清除，这才表示波形发送完了。
• SPI是全双工，发送的同时，还有接收。
• 在第一个字节发送完成后，第一个字节的接收也完成了。接收到的数据1是A1，这时移位寄存器的数据整体转入RDR，RDR随后存储的就是A1。转入的同时RXNE标志位也置1，表示收到数据了（软件等到RXNE=1，然后从SPI_DR读出A1），接收之后，软件清除RXNE标志位，当下一个数据A2收到后，RXNE重新置1。当监测到RXNE=1时，就继续读出RDR，即第二个数据A2。在最后一个字节时序完全产生之后，数据3才能收到。一个字节波形收到后，移位寄存器的数据自动转入RDR，会覆盖原有的数据，所以读取RDR要及时。

3.4 非连续传输

模式3，SCK默认高电平。如果你检测到TXE=1了，TDR为空，就软件写入0xF1至SPI_DR，这时TDR的值变为F1，TXE变为0，目前移位寄存器也是空，F1会立刻转入移位寄存器开始发送，波形产生，并且TXE置1，表示可以把下一个数据放在TDR里候着了。等到第一个字节时序结束，也就是第一个字节接收完成，这时接收的RXNE置1，先把第一个接收到的数据读出来，之后再写入下一个字节数据（软件等待TXE=1，但是较晚写入0xF2至SPI_DR），之后数据2开始发送，等先把接收的数据2收着，再继续写入数据3。数据3时序结束后，再接收数据3置换回来的数据。
1、 等待TXE=1；2. 写入发送的数据至TDR，3. 等待RXNE=1，4. 读取RDR接收的数据。之后交换第二个字节，重复该4步。

3.5 软件 / 硬件波形对比

3.6 库函数

// 恢复缺省配置
void SPI_I2S_DeInit(SPI_TypeDef* SPIx);
// 初始化
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
// 结构体变量初始化
void SPI_StructInit(SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
// 外设使能
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
// 中断使能
void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);
// DMA使能
void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);
// 写DR数据寄存器
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
// 读DR数据寄存器
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);

// 可以获取TXE和RXNE标志位的状态
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);