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【STM32单片机】#12 SPI通信（软件读写）

news 来源：原创 2025/5/2 16:06:40

主要参考学习资料：

B站@江协科技

STM32入门教程-2023版 细致讲解 中文字幕

开发资料下载链接：https://pan.baidu.com/s/1h_UjuQKDX9IpP-U1Effbsw?pwd=dspb

单片机套装：STM32F103C8T6开发板单片机C6T6核心板 实验板最小系统板套件科协

目录

  • SPI通信
    • 硬件电路
    • 移位示意图
    • SPI时序基本单元
    • SPI时序（W25Q64芯片）
  • W25Q64简介
    • 硬件电路
    • W25Q64框图
    • Flash操作注意事项
    • 状态寄存器
    • 指令集
  • 实验26 软件SPI读写W25Q64
    • 接线图
    • SPI协议层
    • W25Q64驱动层
    • 主程序

SPI通信

  • SPI（Serial Periheral Interface）是由Motorrola公司开发的一种通用数据总线。
  • 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
  • 同步全双工
  • 支持总线挂载多设备（一主多从）

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。SS线低电平有效，要指定从机则将相应的SS线置低电平，同一时间只能指定一个从机以防冲突。
  • 输出引脚配置为推挽输出，强高低电平驱动，上升沿下降沿均迅速，传输速度远高于I2C。但从机输出仍可能存在冲突，因此SPI规定从机未被选中时需输出高阻态。
  • 输入引脚配置为浮空或上拉输入。

移位示意图

SPI高位先行，时钟驱动移位寄存器左移，时钟源由主机的波特率发生器提供。主机移位寄存器移出的数据通过MOSI输入到从机移位寄存器的右端，从机移位寄存器移出的数据通过MISO输入到主机移位寄存器的右端。波特率发生器的上升沿（下降沿）驱动移位寄存器向左移出一位放在引脚上；下降沿（上升沿）驱动引脚上的位采样移入到移位寄存器空出的最低位。八个时钟之后，主机和从机交换一个字节的数据，交换字节是SPI通信的基础。只发不收则不读取从机输入的数据，只收不发则可向从机发送0x00或0xFF置换从机的数据。

SPI时序基本单元

  • 起始条件：SS高→低
  • 终止条件：SS低→高

SPI在移位时序上提供了CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）两个可配置的位以兼容更多芯片，不同的配置组合构成了四种模式，其中模式0应用最多。

  • 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（第一个边沿指SCK跳出空闲状态产生的边沿，此处为上升沿），第二个边沿移出数据（第二个边沿与第一个边沿相反）

  • 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

  • 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

SPI时序（W25Q64芯片）

SPI通常采用指令码+读写数据的流程，从机中会定义一个指令集。SPI起始后，第一个发送给从机的数据一般为指令码指导从机完成相应的功能，随后根据指令要求继续收发数据。

  • 发送指令
  • 向SS指定的设备发送指令（0x06，对应W25Q64芯片写使能指令）

  • 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（包含24位地址的三个字节Address[23:0]，高位先行）下，写入指定数据（Data，图中为0x55）。SPI也有地址指针，可随地址自增连续写入多个字节。

  • 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，主机发送0xFF置换从机的0x55）。可随地址自增连续读取多个字节。

W25Q64简介

  • W25Qxx系列是一种小成本、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，二重SPI）/320MHz（Quad SPI，四重SPI），后两种类似使用多个SPI数据线并行传输，了解即可。
  • W25Qxx的存储容量（24位地址）为xxMbit

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

中途需要释放总线时，可以将HOLD引脚置低电平，芯片会记住当前时序，需要继续之前的时序时再将HOLD置回高电平。

括号内的IO x _x x​为使用双重SPI和四重SPI时用于充当SPI数据线的引脚，了解即可。

上图为W25Qxx模块原理图，J1为引出的排针，D1为电源指示灯。

W25Q64框图

红色方框为存储器规划示意图，存储器分为128×64KB块，每个块分为16×4KB扇区，每个扇区分为16×256Byte页。每个块和扇区的左下角和右上角为对应的起始和终止地址，块和扇区同一行的左端和右端为页的起始和终止地址。

左下角为SPI控制逻辑（SPI Command & Control Logic），自动完成地址锁存、数据读写操作。控制逻辑左侧为与主控芯片相连的通信引脚，主控芯片通过SPI协议将指令和数据发给控制逻辑，控制逻辑自动操作内部电路完成相应功能。控制逻辑上方为状态寄存器（Status Register），与忙状态、写使能/保护有关，后文详细介绍。再上方为配合WP引脚实现写保护的写控制逻辑（Write Control Logic）。SPI控制逻辑往右有高电压生成器（High Voltage Generator），配合Flash进行编程，通过高电压刺激实现掉电不丢失；页/字节地址锁存/计数器（Page/Byte Address Latch/Counter）用于指定地址，三字节地址的前两个字节进入页地址锁存/计数器，最后一个字节进入字节地址锁存/计数器。页地址通过写保护和行解码（Write Protect Logic & Row Decode）选择操作哪一页，字节地址通过列解码和256字节页缓存（Column Decode & 256-Byte Page Buffer）进行指定地址读写操作，写入数据先存储在页缓存区以跟上SPI传输速度，等数据写完（连续写入不超过256字节），芯片再将数据从缓存区转移到Flash存储器，此时芯片进入忙状态，将状态寄存器BUSY位置一，不会响应新的读写时序。计数器使地址指针在读写后自动加一。

Flash操作注意事项

Flash存储器为了实现掉电不丢失，同时保证存储容量足够大、成本足够低，在操作的便捷性上做出了妥协。

写入操作

  • 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。
  • 为弥补上一条限制，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（一个扇区）进行，若想保留部分字节必须先读取作为备份
  • 由于页缓存区存在，连续写入多字节时，最多（从起始位置）写入一页256Byte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，读取到状态寄存器BUSY位为0时再进行

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。

状态寄存器

W25Q64有两个状态寄存器，我们只关注重要的状态寄存器1的前两位。第一个位为前文介绍过的BUSY位，第二个位为写使能锁存位WEL。执行写使能指令后，WEL置一，代表芯片可以进行写入操作。写失能则使WEL清零，芯片刚上电、执行写失能、页编程、擦除指令都会触发写失能，因此任何写入操作前都需要写使能。

指令集

本实验涉及以下指令：

功能指令数据
写使能0x06
写失能0x04
读状态寄存器10x05交换读取一字节状态寄存器1配置
页编程（写数据）0x02写入三字节地址和一字节数据
后续字节随地址自增依次存储
扇区擦除0x20写入三字节地址
读JEDEC ID0x9F交换三字节ID（一字节厂商ID+两字节设备ID）
读取数据0x03写入三字节地址，交换读取一字节数据
后续字节随地址自增依次读取

实验26 软件SPI读写W25Q64

接线图

SPI协议层

MySPI.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_Hvoid MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);#endif

MySPI.c

#include "stm32f10x.h"//封装输出引脚写
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);
}//封装输入引脚读
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//除MISO为上拉输入，其余为推挽输出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_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7);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);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_6);//初始化引脚默认电平//不选中从机MySPI_W_SS(1);//模式0时钟空闲低电平MySPI_W_SCK(0);
}//起始信号
void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_SS(0);
}//终止信号
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_SS(1);
}//交换字节（模式0）
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{uint8_t i, ByteReceive = 0x00;for(i = 0;i < 8;i++){//软件无法同时执行两条语句，因此先产生边沿再操作数据MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));MySPI_W_SCK(1);//上升沿移入字节if(MySPI_R_MISO())ByteReceive |= (0x80 >> i);MySPI_W_SCK(0);//下降沿移出字节（接循环开头）}//若使用其他模式//改变极性则交换时钟写1和写0语句//改变相位则将时钟提前到读写操作之前return ByteReceive;
}

W25Q64驱动层

W25Q64.h

#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_Hvoid 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"
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"void W25Q64_Init(void)
{MySPI_Init();
}//读JEDEC ID，指针实现多参数返回，MID厂商ID，DID设备ID
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{MySPI_Start();//指令MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);//置换ID数据*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//DID先高八位后低八位*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*DID <<= 8;*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);	MySPI_Stop();
}//写使能，在页编程和扇区擦除开头使用
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);MySPI_Stop();
}//等待BUSY，在页编程和扇区擦除末尾使用
void W25Q64_WaitBusy(void)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);//等待状态寄存器1最低位BUSY清零while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01);MySPI_Stop();
}//页编程
//参数为地址（C语音无24位使用32位）、字节数组、写入字节个数（0-256使用16位）
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);//地址高位先行，移位后程序自动接收低八位MySPI_SwapByte(Address >> 16);MySPI_SwapByte(Address >> 8);MySPI_SwapByte(Address);//写入数据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();MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);MySPI_SwapByte(Address >> 16);MySPI_SwapByte(Address >> 8);MySPI_SwapByte(Address);MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();
}//读取数据
//Count无限制，给最大类型
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);}MySPI_Stop();
}

主程序

#include "stm32f10x.h" 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MID;
uint16_t DID;
//写入数组
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);	//写入前擦除，地址尽量对齐扇区起始地址（低三位为000）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){}
}

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