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STM32基础教程——软件SPI

news 来源：原创 2025/5/8 15:02:40

目录

前言

技术实现 

接线图 

代码实现 

技术要点 

引脚操作

SPI初始化

SPI起始信号

SPI终止信号

SPI字节交换

宏替换命令 

W25Q64写使能 

忙等待

读取设备ID号和制造商ID

页写入

数据读取

实验结果

问题记录 

前言

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信接口规范，主要用于短距离通信，广泛应用于嵌入式系统中。它使一个主设备能够与一个或多个从设备进行通信。SPI使用四条主要信号线：MOSI（主机输出/从机输入）、MISO（主机输入/从机输出）、SCK（串行时钟）和SS/CS（从选/片选）来实现数据的双向传输。这种接口方式支持全双工通信，具有传输速率高、延迟低的优点，但相比其他一些接口协议，使用的信号线较多。SPI常用于连接传感器、存储器、ADC（模数转换器）等外围设备。

SPI硬件电路

  • 所有SPI设备的SCK,MISO,MOSI分别连在一起。
  • 主机另外引出多条CS控制线分别连接到各从机的CS引脚。
  • 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空输入或上拉输入。

W25Q64是华邦公司（Winbond）推出的一款基于SPI通信的大容量闪存产品，其存储容量为64Mb（即8MB）。该芯片支持2.7~3.6V的工作电压范围，并且具备至少10万次的擦写周期和长达20年的数据保存时间。W25Q64以其灵活性和出色的性能著称，非常适合用于存储声音、文本和数据等应用。它被组织为32768个可编程页面，每个页面包含256字节的数据。此外，W25Q64还支持多种擦除命令，包括4KB扇区擦除、32KB块擦除、64KB块擦除以及全片擦除，并且兼容标准SPI模式0和模式3，最高支持133MHz的时钟频率。通过SPI接口，W25Q64可以轻松地与各种微控制器进行集成，实现高效的数据读写操作。

W25Q64由8MB的存储容量，存储区域被划分成了128个块，每个块又被划分成了16个扇区，每个扇区又被划分成了 16个页。

W25Q64写入操作时：

  •  在写入操作之前，必须先进行写使能。
  • 每个数据为只能有1改写成0，不能由0改写成1。
  • 写入数据之前必须先擦除，擦除后，所有的数据位都变为1。
  • 擦除必须以最小单元擦除（这里最小擦除单元时4kb扇区）。
  • 连续写入多个字节时最多写入一页的数据（256Byte），超过页尾的数据会回到页首覆盖写入。
  • 写入操作完成后，芯片进入忙状态，不响应新的写操作。

W25Q64读操作时：

  • 直接调取读操作时序，无需写使能，无需其他操作，没有页限制，读取操作完成后芯片不会进入忙状态，但是芯片忙状态时不能进行读操作。

技术实现 

原理图

 

接线图 

代码实现 

main.c

/**********************************************************
1.实验名称:软件SPI读写W25Q64
2.实验环境:STM32F103C8T6最小系统板
3.实验内容：使用软件模拟SPI读取W25Q64	
4.作者；abai
5.实验时间：2025-5-6
**********************************************************/
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"						//延时函数
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MF;
uint16_t ID;
uint8_t SendArry[] = {0x05,0x06,0x07,0x08};
uint8_t ReceiveArry[4];int main(void)
{/*OLED初始化*/OLED_Init();W25Q64_Init();OLED_ShowString(1,1,"MF:");OLED_ShowString(2,1,"ID:");OLED_ShowString(3,1,"W:");OLED_ShowString(4,1,"R:");W25Q64_SectorErase(0x000000);												//写入数据之前必须页擦除W25Q64_PageProgram(0x000000,SendArry,4);W25Q64_ReadData(0x000000,ReceiveArry,4);W25Q64_ReadID(&MF,&ID);OLED_ShowHexNum(3,3,SendArry[0],2);OLED_ShowHexNum(3,5,SendArry[1],2);OLED_ShowHexNum(3,7,SendArry[2],2);OLED_ShowHexNum(3,9,SendArry[3],2);OLED_ShowHexNum(4,3,ReceiveArry[0],2);OLED_ShowHexNum(4,5,ReceiveArry[1],2);OLED_ShowHexNum(4,7,ReceiveArry[2],2);OLED_ShowHexNum(4,9,ReceiveArry[3],2);OLED_ShowHexNum(1,4,MF,2);OLED_ShowHexNum(2,4,ID,4);while(1){}
}

MySPI.h 

#ifndef MYSPI_H
#define MYSPI_H#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid MySPI_Init(void);
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue);
void MySPI_SCK_W(uint8_t BitValue);
void MySPI_MOSI_W(uint8_t BitValue);
uint8_t MySPI_MISO_R(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue);#endif

 MySPI.c

#include "MySPI.h"/***@brief  SPI初始化*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//GPIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_Out_PP;								//推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_6;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_IPU;								//上拉输入GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//引脚初始化MySPI_CS_W(1);																//片选信号默认为高电平MySPI_SCK_W(0);																//SPI模式0，时钟信号默认为低电平}/***@brief  SPI CS控制*@param  BitValue 要写入CS的位数据*@retval None**/
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI SCK控制*@param  BitValue 要写入SCK的位数据*@retval None**/
void MySPI_SCK_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI MOSI写操作*@param  BitValue 要写入MOSI的位数据*@retval None**/
void MySPI_MOSI_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI MISO读*@param  None*@retval MISO数据线接受到的数据**/
uint8_t MySPI_MISO_R(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}/***@brief  SPI起始信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_CS_W(0);																//将片选信号拉低发送起始信号
}/***@brief  SPI终止信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_CS_W(1);																//将片选信号拉高发送终止信号
}/***@brief  SPI交换字节*@param  None*@retval 交换的字节**/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue)
{//掩码操作uint8_t ByteReceive = 0x00;uint8_t i;for(i=0;i<8;i++){MySPI_MOSI_W((ByteValue<<i) & 0x80);MySPI_SCK_W(1);if(MySPI_MISO_R() == 1)ByteReceive |= (0x80>>i);MySPI_SCK_W(0);}return ByteReceive;//移位操作
//	uint8_t i;
//	for(i=0;i<8;i++)
//	{
//		MySPI_MOSI_W(ByteValue& 0x80);
//		ByteValue <<= 1;
//		MySPI_SCK_W(1);
//		if(MySPI_MISO_R() == 1)
//			ByteValue |= 0x01;
//		MySPI_SCK_W(0);
//	}
//	
//	return ByteValue;
}

W25Q64_Ins.h 

#ifndef W25Q64_INS_H
#define W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITEENABLE 				0x06
#define W25Q64_READSTATUSREGISTER1 		0x05
#define W25Q64_PAGEPROGRAM 				0x02
#define W25Q64_SECTORERASE4KB 			0x20
#define W25Q64_JEDECID 					0X9F
#define W25Q64_READDATA 				0x03
#define W25Q64_DUMMY_BYTE 				0xFF#endif

W25Q64.h 

#ifndef W25Q64_H
#define W25Q64_H#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"void W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID);
void W25Q64_WriteEnable(void);
void W25Q64_WaitBusy(void);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count);#endif

W25Q64.c 

#include "W25Q64.h"
#include "W25Q64_Ins.h"/***@brief  W25Q64初始化*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_Init(void)
{MySPI_Init();
}/***@brief  W25Q64ID读取*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID)
{MySPI_Start();//发送读取ID指令MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDECID);//发送空指令交换数据*MF = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);													//随便发送一个数据用于与从机交换数据，一般使用0xFF或0x00*ID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*ID <<= 8;*ID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID写使能*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();//发送写使能指令MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITEENABLE);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID忙等待*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{MySPI_Start();//发送读状态寄存器指令MySPI_SwapByte(W25Q64_READSTATUSREGISTER1);//等待BUSY位清零，则从设备退出忙状态while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0X01) == 0X01);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID页写入*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();														//写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGEPROGRAM);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);//发送指定数量的数据for(i=0;i<Count;i++){MySPI_SwapByte(DataArry[i]);}MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();															//事后等待忙状态
}/***@brief  W25Q64ID指定扇区擦除*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{			W25Q64_WriteEnable();MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTORERASE4KB);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();
}/***@brief  W25Q64ID读取数据*@param  None*@retval None*@note   数据接收的数量也要指定，不然无法停止数据读取操作**/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count)
{uint32_t i;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READDATA);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);for(i=0;i<Count;i++){DataArry[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);}MySPI_Stop();
}

 OLED部分代码参照文章《STM32基础教程——OLED显示》

技术要点 

引脚操作

/***@brief  SPI CS控制*@param  BitValue 要写入CS的位数据*@retval None**/
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI SCK控制*@param  BitValue 要写入SCK的位数据*@retval None**/
void MySPI_SCK_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI MOSI写操作*@param  BitValue 要写入MOSI的位数据*@retval None**/
void MySPI_MOSI_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI MISO读*@param  None*@retval MISO数据线接受到的数据**/
uint8_t MySPI_MISO_R(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}

对单个引脚的操作进行封装，用于模拟SPI引脚电平翻转或引脚电平读取。 

SPI初始化

/***@brief  SPI初始化*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//GPIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_Out_PP;								//推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_6;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_IPU;								//上拉输入GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//引脚初始化MySPI_CS_W(1);																//片选信号默认为高电平MySPI_SCK_W(0);																//SPI模式0，时钟信号默认为低电平}

实验使用软件模拟SPI，PA4引脚模拟SPI的CS引脚，PA5模拟SPI的SCK引脚，PA6模拟MISO引脚，PA7模拟MOSI引脚。根据输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为上拉输入的要求初始化GPIO。初始化完成后，对CS引脚和SCK引脚初始化。片选信号CS默认为高电平，表示未选中从设备。模拟SPI模式0，SCK初始默认电平为低电平。

SPI起始信号

SPI的起始时序是CS(SS)从高电平切换为低电平 。

/***@brief  SPI起始信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_CS_W(0);																//将片选信号拉低发送起始信号
}

SPI终止信号
 

 SPI的终止时序是CS(SS)从低电平切换为高电平 。

/***@brief  SPI终止信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_CS_W(1);																//将片选信号拉高发送终止信号
}

SPI字节交换

SPI为同步全双工通信，每一次通信都会进行数据交换。

/***@brief  SPI交换字节*@param  None*@retval 交换的字节**/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue)
{//掩码操作uint8_t ByteReceive = 0x00;uint8_t i;for(i=0;i<8;i++){MySPI_MOSI_W((ByteValue<<i) & 0x80);MySPI_SCK_W(1);if(MySPI_MISO_R() == 1)ByteReceive |= (0x80>>i);MySPI_SCK_W(0);}return ByteReceive;
}

SPI模式0下，SCK第一个边沿移入数据，所以当第一个边沿到来之前数据已经移出。 

MySPI_MOSI_W((ByteValue<<i) & 0x80);

 所以通过MOSI发送一个数据字节。然后将SCK拉高，SCK的第一个边沿将数据移入。

if(MySPI_MISO_R() == 1)ByteReceive |= (0x80>>i);

 ByteValue默认为0x00，只有当移入的数据为1时将对应位置1，为0时不执行操作。

MySPI_SCK_W(0);

 然后将SCK拉低，发生数据移出操作。

使用for循环完成一个字节的数据交换，最后将数据返回。

宏替换命令 

#ifndef W25Q64_INS_H
#define W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITEENABLE 				0x06
#define W25Q64_READSTATUSREGISTER1 		0x05
#define W25Q64_PAGEPROGRAM 				0x02
#define W25Q64_SECTORERASE4KB 			0x20
#define W25Q64_JEDECID 					0X9F
#define W25Q64_READDATA 				0x03
#define W25Q64_DUMMY_BYTE 				0xFF#endif

将对W25Q64操作的命令使用宏代替， 提高代码的便捷性和可读性。

W25Q64写使能 

/***@brief  W25Q64ID写使能*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();//发送写使能指令MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITEENABLE);MySPI_Stop();
}

将写使能操作封装，方便使用。主机与从机交换数据，发送写使能命令，对从机进行写使能操作。

忙等待

/***@brief  W25Q64ID忙等待*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{MySPI_Start();//发送读状态寄存器指令MySPI_SwapByte(W25Q64_READSTATUSREGISTER1);//等待BUSY位清零，则从设备退出忙状态while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0X01) == 0X01);MySPI_Stop();
}

 发送读取状态寄存器1的命令，判断BUSY位的状态，使用while循环等待芯片退出忙状态将BUSY位清零。

读取设备ID号和制造商ID

/***@brief  W25Q64ID读取*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID)
{MySPI_Start();//发送读取ID指令MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDECID);//发送空指令交换数据*MF = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);													//随便发送一个数据用于与从机交换数据，一般使用0xFF或0x00*ID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*ID <<= 8;*ID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);MySPI_Stop();
}

 主机发送读取JEDEC ID的命令，从机向主机发送数据，数据格式为第一个字节为制造商ID，第二个和第三个字节为设备ID。这里使用指针进行数据操作。

页写入

/***@brief  W25Q64ID页写入*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();														//写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGEPROGRAM);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);//发送指定数量的数据for(i=0;i<Count;i++){MySPI_SwapByte(DataArry[i]);}MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();															//事后等待忙状态
}

页写入操作，先进行写使能，然后发送起始信号，发送页写入命令。然后发送24位地址，高16位为页地址，低八位为字节地址。使用for循环写入指定数量的数据，数据的数量不应超过256字节。最后发送停止信号，然后进行芯片忙等待操作（忙等待如果加在函数开始，那读取操作也要加忙等待函数调用，这样会使操作更复杂。）。所有写操作函数与本函数类似，不再赘述。

数据读取

/***@brief  W25Q64ID读取数据*@param  None*@retval None*@note   数据接收的数量也要指定，不然无法停止数据读取操作**/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count)
{uint32_t i;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READDATA);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);for(i=0;i<Count;i++){DataArry[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);}MySPI_Stop();
}

数据读取操作无需写使能，无需进行其他操作。发送读数据命令，然后发送24位地址，同样高16位地址为页地址，低八位为字节地址。读取操作不受页限制。

实验结果

问题记录 

暂无

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