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SPI协议软件实现 W25QXX flash 存储器

news 来源：原创 2025/5/22 7:23:15

SPI 协议知识点

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）、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）
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

通讯过程：

主设备拉低目标从设备的 CS 引脚。
主设备开始输出 SCLK 时钟信号。
主设备通过 MOSI 发送数据，同时从设备可以通过 MISO 发送数据（全双工）。
数据按位在时钟边沿传输，常见有四种模式。
主设备通信完毕后，拉高 CS 引脚，结束传输。

优点：

简单、高速（常见速度几十 Mbps）
全双工通信
支持多个从设备（每个一个 CS）

缺点：

每个从设备需要一个独立 CS 引脚，不适合大规模设备扩展
无协议层，软件必须自己处理数据完整性
通信距离短，一般用于板级通信

✅ 七、典型应用

SD 卡模块
Flash 存储芯片（如 W25Qxx）
OLED 屏幕
各类传感器（如加速度计）

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

SPI 的时序由两个参数控制：

CPOL（时钟极性）：SCLK 空闲时是高电平还是低电平。
CPHA（时钟相位）：在哪个边沿采样数据（第一个还是第二个边沿）。

模式	CPOL	CPHA	描述
Mode 0	0	0	空闲低电平，第一上升沿采样
Mode 1	0	1	空闲低电平，第二下降沿采样
Mode 2	1	0	空闲高电平，第一下降沿采样
Mode 3	1	1	空闲高电平，第二上升沿采样

主从必须使用相同的模式才能正常通信。

交换一个字节（模式0）最多使用
- 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
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

W25QXX flash 存储器

W25QXX 是 Winbond 公司生产的一系列串行 NOR Flash 存储器芯片，广泛应用于嵌入式系统中，用于存储代码、配置、用户数据、图像、语音等信息。

🧠 一、W25QXX 是什么？

类型：串行 NOR Flash（非易失性存储器）
接口：支持 SPI 协议（支持标准 SPI、Dual SPI、Quad SPI）
容量范围：
- 常见型号有：W25Q16 (2MB)、W25Q32 (4MB)、W25Q64 (8MB)、W25Q128 (16MB)、W25Q256 (32MB)
供电电压：2.7V ～ 3.6V（通常为 3.3V）

🧱 二、存储结构（以 W25Q64 为例）

单位	大小	数量	说明
芯片总容量	64Mbit = 8MB	—	—
块（Block）	64KB	128 个	可擦除单元
扇区（Sector）	4KB	2048 个	最小可擦除单元
页（Page）	256 字节	32,768 页	写入数据的基本单位

❗ 注意：写入单位是页（Page），擦除单位是扇区（Sector）或块（Block）

⚙️ 三、基本功能命令

功能	指令码（Hex）	描述
写使能	`0x06`	必须先发送，才可写入/擦除
写禁止	`0x04`	禁止后续写入/擦除操作
读数据	`0x03`	读取 Flash 数据
快速读	`0x0B`	加上 dummy byte，提高读取速度
页写入	`0x02`	写入 1～256 字节数据
扇区擦除（4KB）	`0x20`	擦除一个扇区
块擦除（32K/64K）	`0x52`/`0xD8`	擦除大范围数据
全片擦除	`0xC7`/`0x60`	擦除整个 Flash
读状态寄存器	`0x05`	检查 BUSY、写保护位等
写状态寄存器	`0x01`	配置状态寄存器位
JEDEC ID	`0x9F`	读取芯片厂商和型号信息

🔁 四、使用流程（典型写入）

写使能（0x06）
擦除扇区（0x20 + 地址）
写使能（0x06）
页编程（0x02 + 地址 + 数据）
轮询状态寄存器（0x05），等待 BUSY 清除

📌 五、特性总结

特性	说明
速度	最高可达 104MHz（SPI），可选 Quad SPI 模式
擦除寿命	每个扇区支持约 10 万次擦写
掉电保存	非易失性，断电数据仍然保留
尺寸小	常用 SOP-8、WSON、USON 等封装
广泛使用	常见于 STM32、ESP32、FPGA、WiFi 模块、路由器等产品中

🔍 六、常见应用场景

存储系统启动代码（Bootloader）
存储图像、字库、音频文件（适合大容量 W25Q128、256）
数据记录与配置参数存储
替代 EEPROM，提供更大容量和更快速度

🧪 七、识别芯片（JEDEC ID）

你可以通过发送 0x9F 命令读取芯片 ID，例如：

W25Q64 的返回值是：
```
0xEF 0x40 0x17
```
- 0xEF: Winbond 厂商 ID
- 0x40: 存储类型
- 0x17: 容量（0x17 表示 64Mbit = 8MB）

利用 SPI 写W25QXX 示例代码

写一个字节 / 读取一个字节
写使能
扇区擦除
写入数据
读取数据
分文件结构清晰

🗂️ 文件结构说明

W25QXX_Driver/
├── w25qxx.h             // 头文件
├── w25qxx.c             // 实现文件
├── soft_spi.h           // 软件 SPI 接口头文件
├── soft_spi.c           // 软件 SPI 实现

✅ `soft_spi.h`：软件 SPI 接口头文件

#ifndef __SOFT_SPI_H__
#define __SOFT_SPI_H__#include <stdint.h>void MySPI_Init(void);
void MySPI_CS_L(void);
void MySPI_CS_H(void);
void MySPI_W_MOSI(uint8_t bit);
void MySPI_W_SCK(uint8_t bit);
uint8_t MySPI_R_MISO(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t byte_send);#endif

✅ `soft_spi.c`：软件 SPI 实现（需你根据硬件定义填 GPIO 操作）

#include "soft_spi.h"
#include <your_gpio_driver.h>  // 替换为实际的GPIO操作头文件void MySPI_Init(void) {// 初始化 GPIO 方向// 设置 SCK, MOSI 为输出，MISO 为输入
}void MySPI_CS_L(void) {// 拉低 CS
}void MySPI_CS_H(void) {// 拉高 CS
}void MySPI_W_MOSI(uint8_t bit) {// 设置 MOSI 引脚电平
}void MySPI_W_SCK(uint8_t bit) {// 设置 SCK 引脚电平
}uint8_t MySPI_R_MISO(void) {// 读取 MISO 电平return 0; // 实际应返回 MISO 电平
}uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t byte_send) {uint8_t i, byte_recv = 0x00;for (i = 0; i < 8; i++) {MySPI_W_MOSI((byte_send & 0x80) != 0);byte_send <<= 1;MySPI_W_SCK(1);  // 上升沿采样if (MySPI_R_MISO()) {byte_recv |= (0x80 >> i);}MySPI_W_SCK(0);  // 下降沿传输}return byte_recv;
}

✅ `w25qxx.h`：W25QXX 驱动接口

#ifndef __W25QXX_H__
#define __W25QXX_H__#include <stdint.h>void W25QXX_Init(void);
void W25QXX_WriteEnable(void);
void W25QXX_WaitBusy(void);
void W25QXX_EraseSector(uint32_t addr);
void W25QXX_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t data);
uint8_t W25QXX_ReadByte(uint32_t addr);#endif

✅ `w25qxx.c`：W25QXX 驱动实现

#include "w25qxx.h"
#include "soft_spi.h"void W25QXX_Init(void) {MySPI_Init();MySPI_CS_H();  // 默认拉高 CS
}void W25QXX_WriteEnable(void) {MySPI_CS_L();MySPI_SwapByte(0x06);  // Write EnableMySPI_CS_H();
}void W25QXX_WaitBusy(void) {uint8_t status;do {MySPI_CS_L();MySPI_SwapByte(0x05);        // Read Status Registerstatus = MySPI_SwapByte(0xFF);MySPI_CS_H();} while (status & 0x01);         // 等待 BUSY 清除
}void W25QXX_EraseSector(uint32_t addr) {W25QXX_WriteEnable();MySPI_CS_L();MySPI_SwapByte(0x20);            // Sector EraseMySPI_SwapByte((addr >> 16) & 0xFF);MySPI_SwapByte((addr >> 8) & 0xFF);MySPI_SwapByte(addr & 0xFF);MySPI_CS_H();W25QXX_WaitBusy();
}void W25QXX_WriteByte(uint32_t addr, uint8_t data) {W25QXX_WriteEnable();MySPI_CS_L();MySPI_SwapByte(0x02);            // Page ProgramMySPI_SwapByte((addr >> 16) & 0xFF);MySPI_SwapByte((addr >> 8) & 0xFF);MySPI_SwapByte(addr & 0xFF);MySPI_SwapByte(data);MySPI_CS_H();W25QXX_WaitBusy();
}uint8_t W25QXX_ReadByte(uint32_t addr) {uint8_t data;MySPI_CS_L();MySPI_SwapByte(0x03);            // Read DataMySPI_SwapByte((addr >> 16) & 0xFF);MySPI_SwapByte((addr >> 8) & 0xFF);MySPI_SwapByte(addr & 0xFF);data = MySPI_SwapByte(0xFF);MySPI_CS_H();return data;
}

✅ 示例用法（main.c）

#include "w25qxx.h"int main(void) {W25QXX_Init();// 擦除地址 0x000000 所在扇区W25QXX_EraseSector(0x000000);// 写入一个字节 0xABW25QXX_WriteByte(0x000000, 0xAB);// 读取验证uint8_t data = W25QXX_ReadByte(0x000000);if (data == 0xAB) {// 写入成功}while (1);
}