SPI Flash开发全解（基于GD25Qxx）

上一节我们学习了以ssd1306为例开发iic的流程，本节我们以GD25Q为例学习spi的开发流程

一，一些前置基础

1，通信流程：

spi支持一个主机与多个从机交流，如何实现呢？
我知道iic通信是通过从机地址去区分不同的从机，而spi则是通过一根片选信号线：
spi有4根线，时钟线，数据线（MOSI：主机输出，从机输入和MISO：从机输出，主机输入）有两根（因为为了实现全双工），还有一根片选信号线CS（Chip Select），也叫 SS（Slave Select）
当主机要和某个从机通信时，将对应的 CS 拉低（激活）；不通信时，拉高（失能），这就代替了iic通信中的地址机制

在spi通信中，所有线上的电平都由主机控制，CS线默认为高电平，有时需要外接上拉电阻

2，通信速度

一般可达几十MHz（视MCU和外设支持）

3，应用场景

高速 ADC/DAC、SD 卡、WIFI 模块
大容量显示屏（TFT LCD）
需要高吞吐或实时性的场合

二，开发步骤1–硬件连接

将MCU的SPI引脚 (SCK, MOSI, MISO) 连接到从设备的对应引脚
将MCU的一个通用GPIO引脚连接到从设备的CS引脚

三，开发步骤2–STM32CubeMX配置：启动SPI

1，Mode

选择Full-Duplex Master，表示STM32作为主机
如果选择Full-Duplex Slave则表示STM32作为从机
其他选项我们遇到 再说

这里的NSS表示片选信号，前面的SS和CS也可以表示片选信号

我们可以看到这里有三个选项：
Disable
Hardware NSS Input Singnal
Hardware NSS Output Singnal
如果我们选择失能，那就要为NSS选择一个GPIO引脚，实现软件NSS，我选择的是PB12，配置为输出模式：

并且在驱动代码里写以下的宏：

如果选择Hardware NSS Input Singnal：STM32 作为 SPI 从设备时使用。NSS 引脚配置为硬件输入，当外部主机拉低此引脚时，STM32 SPI 从设备被选中。

Hardware NSS Output Singnal
STM32 作为 SPI 主机时使用。SPI 外设硬件在数据传输开始前自动拉低 NSS 引脚，传输结束后自动拉高。

2，Configuration

Basic Parameters（基本参数）

Frame Format（帧格式）：通常选择Motorola

Data Size（数据大小）：即一个数据帧大小，可以选择8位和16位

First Bit（数据顺序）：
MSB First：表示数据是从最高位（Most Significant Bit）开始传输的。另一个常见选项是 LSB First，表示从最低位（Least Significant Bit）开始传输。

Clock Parameters（时钟参数）

Prescaler（分频器）：系统时钟流向SPI外设之后，SPI自己可以使用分配器 进行时钟分频，这里的时钟频率和下面的波特率大小保持一致

Baud Rate（波特率）：
22.5 MBits/s：表示 SPI 总线的传输速度为 22.5 Mbps，即每秒钟传输 22.5 百万比特。波特率的选择取决于主从设备的能力以及传输距离。

Clock Polarity (CPOL)（时钟极性）：
CPOL = Low: SCK 时钟在空闲状态为低电平。
CPOL = High: SCK 时钟在空闲状态为高电平。

Clock Phase (CPHA)（时钟相位）：
CPHA = 1 Edge: 数据在 SCK 的第一个时钟边沿被采样。
CPHA = 2 Edge: 数据在 SCK 的第二个时钟边沿被采样。
SPI 模式总结 (CPOL/CPHA)

CPOL 和 CPHA 的组合定义了四种 SPI 工作模式：

模式	CPOL	CPHA	描述 (空闲电平, 采样边沿)
0	Low (0)	1 Edge (0)	空闲低，SCK 第一个边沿采样
1	Low (0)	2 Edge (1)	空闲低，SCK 第二个边沿采样
2	High (1)	1 Edge (0)	空闲高，SCK 第一个边沿采样
3	High (1)	2 Edge (1)	空闲高，SCK 第二个边沿采样

我使用的GD25芯片只支持模式0和3

Advanced Parameters（高级参数）

CRC Calculation（CRC 校验）：CRC 校验只能检测到数据错误，不能纠正错误

NSS Signal Type（NSS 信号类型）：这个其实就是照应了前面的NSS类型

四，开发步骤3–底层驱动代码设计

底层SPI发送/接收函数

这类函数是对HAL库SPI发送和接收函数HAL_SPI_TransmitReceive的进一步封装，和前面封装iic发送函数一样，目的是减少函数形参，方便使用

uint8_t spi_flash_send_byte(uint8_t byte)
{uint8_t rx_data;HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, &byte, &rx_data, 1, 1000);return rx_data;
}

CS引脚控制函数

这类函数帮助STM32主机通过软件的方式拉低片选信号线，实现与特定从机的通信

#define SPI_FLASH_CS_LOW() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET)
#define SPI_FLASH_CS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET)

辅助函数

这些函数主要辅助上面两类函数，构成下面的高级API（操作 函数）
1，写使能函数

void spi_flash_write_enable(void)
{SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(WREN);SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

2，等待写完成函数

void spi_flash_wait_for_write_end(void)
{uint8_t flash_status = 0;SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(RDSR);do{flash_status = spi_flash_send_byte(DUMMY_BYTE);} while ((flash_status & WIP_FLAG) == 0x01);SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

操作函数

这类函数通过CS引脚控制函数选择从机设备，SPI发送/接收函数向 从机发送命令（来自从机数据手册），实现以下操作：

1，初始化即片选信号线拉高：

void spi_flash_init(void)
{// Ensure CS pin is high (deselected) initially.// The GPIO for CS (PB12 in your macros) should be configured as output push-pull in MX_GPIO_Init.SPI_FLASH_CS_HIGH();// Optional: Add a small delay if needed after power-up or SPI init, before first command// HAL_Delay(1);// Optional: You could read the Flash ID here to verify communication// uint32_t id = spi_flash_read_id();// (Add code to check ID or print it for debugging)
}

2，清除指定扇区函数

在对FLASH进行写入（编程）之前，目标区域的存储单元必须先被擦除。擦除操作会将指定区域的每一位（bit）都设置为1。

void spi_flash_sector_erase(uint32_t sector_addr)
{spi_flash_write_enable();SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(SE);spi_flash_send_byte((sector_addr & 0xFF0000) >> 16);spi_flash_send_byte((sector_addr & 0xFF00) >> 8);spi_flash_send_byte(sector_addr & 0xFF);SPI_FLASH_CS_HIGH();spi_flash_wait_for_write_end();
}

形参：sector_addr - 要擦除扇区内的任意地址。驱动程序通常会根据此地址计算出扇区的起始地址
函数逻辑：
调用spi_flash_write_enable使能写操作
发送扇区擦除(SE 0x20)指令
后跟24位地址
调用spi_flash_wait_for_write_end等待操作完成

3，清除全片操作

void spi_flash_bulk_erase(void)
{spi_flash_write_enable();SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(BE);SPI_FLASH_CS_HIGH();spi_flash_wait_for_write_end();
}

函数逻辑：
调用 spi_flash_write_enable()。
发送全片擦除(BE/CE 0xC7)指令
调用 spi_flash_wait_for_write_end() 等待擦除完成。

4，指定页写入函数

FLASH写入（编程）操作只能将存储单元的位从1变为0，不能从0变为1。因此，在写入之前，目标区域必须已经被擦除（所有位为1）。

这个函数的作用是将pbuffer中的数据写入到write_addr地址处
注意：pbuffer的大小不能超过num_byte_to_write个字节，并且不能超过本页范围
为什么不能超过本页范围？
因为Flash芯片的页编程机制有一个硬性限制：单次写入操作不能跨越页边界，即页回卷现象
什么页回卷现象呢？举个例子
1，页内写入：如果从地址0x0F0开始写入16字节，数据会正确写入0x0F0至0x0FF。

2，跨页写入问题：如果从地址0x0F0开始写入30字节：
前16字节(0x0F0到0x0FF)会正确写入
后14字节不会写入下一页(0x100起始位置)
而是会回卷到当前页的开始位置，写入0x000到0x00D
这会覆盖页开头的数据！
这种现象称为"页回卷"(Page Rollover)或"地址回环"(Address Wrapping)。

void spi_flash_page_write(uint8_t *pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write)
{spi_flash_write_enable();SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(WRITE);spi_flash_send_byte((write_addr & 0xFF0000) >> 16);spi_flash_send_byte((write_addr & 0xFF00) >> 8);spi_flash_send_byte(write_addr & 0xFF);while (num_byte_to_write--){spi_flash_send_byte(*pbuffer);pbuffer++;}SPI_FLASH_CS_HIGH();spi_flash_wait_for_write_end();
}

函数逻辑：
调用 spi_flash_write_enable()。
发送页编程(WRITE 0x02)指令，后跟24位地址。
发送 num_byte_to_write 个字节的数据。
调用 spi_flash_wait_for_write_end() 等待写入完成。

5，跨页写入

此函数是更高级的写入函数。它会判断起始地址和写入长度，如果发生跨页，则会将数据拆分成多个部分，分别调用 spi_flash_page_write() 进行写入

void spi_flash_buffer_write(uint8_t *pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write)
{uint8_t num_of_page = 0, num_of_single = 0, addr = 0, count = 0, temp = 0;addr = write_addr % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;count = SPI_FLASH_PAGE_SIZE - addr;num_of_page = num_byte_to_write / SPI_FLASH_PAGE_SIZE;num_of_single = num_byte_to_write % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;if (0 == addr){if (0 == num_of_page){spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, num_byte_to_write);}else{while (num_of_page--){spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);write_addr += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;pbuffer += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;}spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, num_of_single);}}else{if (0 == num_of_page){if (num_of_single > count){temp = num_of_single - count;spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, count);write_addr += count;pbuffer += count;spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, temp);}else{spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, num_byte_to_write);}}else{num_byte_to_write -= count;num_of_page = num_byte_to_write / SPI_FLASH_PAGE_SIZE;num_of_single = num_byte_to_write % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, count);write_addr += count;pbuffer += count;while (num_of_page--){spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);write_addr += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;pbuffer += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;}if (0 != num_of_single){spi_flash_page_write(pbuffer, write_addr, num_of_single);}}}
}

函数形参：
pbuffer: 指向待写入数据缓冲区的指针。
write_addr: 起始写入地址。
num_byte_to_write: 要写入的总字节数。

6，读取数据函数
从FLASH的指定地址读取一块数据到MCU的缓冲区。

void spi_flash_buffer_read(uint8_t *pbuffer, uint32_t read_addr, uint16_t num_byte_to_read)
{SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(READ);spi_flash_send_byte((read_addr & 0xFF0000) >> 16);spi_flash_send_byte((read_addr & 0xFF00) >> 8);spi_flash_send_byte(read_addr & 0xFF);while (num_byte_to_read--){*pbuffer = spi_flash_send_byte(DUMMY_BYTE);pbuffer++;}SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

函数形参：
pbuffer: 指向用于存储读取数据的MCU缓冲区的指针。
read_addr: FLASH内部的24位起始读取地址。
num_byte_to_read: 要读取的字节数。

函数逻辑：
拉低CS片选。
发送读数据(READ 0x03)指令，后跟24位地址。
循环读取 num_byte_to_read 个字节：为每个要读取的字节发送一个DUMMY_BYTE (0xA5)，并将接收到的字节存入 pbuffer。
拉高CS片选。

7，读取id函数

uint32_t spi_flash_read_id(void)
{uint32_t temp = 0, temp0 = 0, temp1 = 0, temp2 = 0;SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(RDID);temp0 = spi_flash_send_byte(DUMMY_BYTE);temp1 = spi_flash_send_byte(DUMMY_BYTE);temp2 = spi_flash_send_byte(DUMMY_BYTE);SPI_FLASH_CS_HIGH();temp = (temp0 << 16) | (temp1 << 8) | temp2;return temp;
}

五，开发步骤4-驱动测试

\r\n是两个特殊的转义字符:
\r 是回车符(Carriage Return) - 将光标移到行首
\n 是换行符(Line Feed) - 将光标移到下一行
组合使用\r\n可确保终端显示换到新行并回到行首，这是Windows风格的换行。
常见的类似转义字符有:
\t - 水平制表符(Tab键)
\b - 退格符
\ - 反斜杠本身
’ - 单引号
" - 双引号
\0 - 空字符(字符串结束)
\a - 警报声
\f - 换页符
\v - 垂直制表符
\xhh - 十六进制字符(如\x0A)
1，开始spi通信

    my_printf(&huart1, "SPI FLASH Test Start\r\n");

2，spt初始化

    spi_flash_init();my_printf(&huart1, "SPI Flash Initialized.\r\n");

3，读取spi设备id,不是地址

读取ID主要作为测试的第一步，确认SPI通信正常工作

    uint32_t flash_id;flash_id = spi_flash_read_id();my_printf(&huart1, "Flash ID: 0x%lX\r\n", flash_id);

flash_id不是地址，而是芯片的识别码，包含:
制造商ID
内存类型
容量信息

格式说明符
整数类型：
%d - 十进制整数
%u - 无符号整数
%x - 小写十六进制
%o - 八进制
修饰符：
%ld - 长整数
%hd - 短整数
%lld - 长长整数
其他类型：
%f - 浮点数
%s - 字符串
%c - 字符
%p - 指针
格式控制：
%5d - 宽度至少5字符
%.2f - 保留2位小数
%08x - 用0填充到8位宽度

修饰符可以与整数类型组合
有符号整数:
%hd - short int (2字节)
%d - int (4字节)
%ld - long int (4字节/32位系统, 8字节/64位系统)
%lld - long long int (8字节)
无符号整数:
%hu - unsigned short (2字节)
%u - unsigned int (4字节)
%lu - unsigned long (4字节/32位系统, 8字节/64位系统)
%llu - unsigned long long (8字节)
十六进制:
%hx/%hX - unsigned short (2字节)
%x/%X - unsigned int (4字节)
%lx/%lX - unsigned long (4字节/32位系统, 8字节/64位系统)
%llx/%llX - unsigned long long (8字节)
八进制:
%ho - unsigned short (2字节)
%o - unsigned int (4字节)
%lo - unsigned long (4字节/32位系统, 8字节/64位系统)
%llo - unsigned long long (8字节)

4，擦除扇区数据，再回读一页
Flash存储结构中:
1页(Page) = 256字节(0x100)
1扇区(Sector) = 4KB(0x1000) = 16页
1块(Block) = 64KB = 16扇区
写入以页为单位
擦除以扇区为最小单位
读取可以任意字节寻址

测试代码是从test_addr开始擦除整个扇区，然后再从test_addr开始读取整个页，最后通过erased_check_ok 检查页是否被删除

	#define SPI_FLASH_PAGE_SIZE 0x100uint8_t read_buffer[SPI_FLASH_PAGE_SIZE];uint32_t test_addr = 0x000000; // Test address, choose a sector startmy_printf(&huart1, "Erasing sector at address 0x%lX...\r\n", test_addr);spi_flash_sector_erase(test_addr);my_printf(&huart1, "Sector erased.\r\n");spi_flash_buffer_read(read_buffer, test_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);int erased_check_ok = 1;for (int i = 0; i < SPI_FLASH_PAGE_SIZE; i++){if (read_buffer[i] != 0xFF){erased_check_ok = 0;break;}}if (erased_check_ok){my_printf(&huart1, "Erase check PASSED. Sector is all 0xFF.\r\n");}else{my_printf(&huart1, "Erase check FAILED.\r\n");}

这里的地址test_addr 是uint32_t ，是32位(4字节)无符号整数，可表示0x00000000到0xFFFFFFFF

5，向flash写入字符串

字符串常量定义：
const char *message - 声明一个指向常量字符数组（字符串）的指针，指向测试用的字符串内容
strlen(message) 计算字符串的实际长度（不包括结尾的’\0’）

这里将最后一位加上\0，方便后面处理字符串
write_buffer[data_len] = ‘\0’;
索引255位置留给结束符’\0’

memset(write_buffer, 0, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);
memcpy(write_buffer, message, data_len);
则是将write_buffer清空，再将上面的字符串写入到write_buffer

最后将 spi_flash_buffer_write(write_buffer, test_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);写入到flash

    const char *message = "Hello from STM32 to SPI FLASH! Microunion Studio Test - 12345.";uint16_t data_len = strlen(message);if (data_len >= SPI_FLASH_PAGE_SIZE){data_len = SPI_FLASH_PAGE_SIZE - 1; // Ensure not exceeding page size}memset(write_buffer, 0, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);memcpy(write_buffer, message, data_len);write_buffer[data_len] = '\0'; // Ensure string terminationmy_printf(&huart1, "Writing data to address 0x%lX: \"%s\"\r\n", test_addr, write_buffer);// Use spi_flash_buffer_write (can handle cross-page, but here we're writing within one page)// Or use spi_flash_page_write directly if certain it's within one pagespi_flash_buffer_write(write_buffer, test_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE); // Write entire page with padding// spi_flash_page_write(write_buffer, test_addr, data_len + 1); // Only write valid datamy_printf(&huart1, "Data written.\r\n");

6，读取字符串
使用 memset(read_buffer, 0, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);将read_buffer清空，再使用spi_flash_buffer_read将字符串写入到read_buffer

    my_printf(&huart1, "Reading data from address 0x%lX...\r\n", test_addr);memset(read_buffer, 0, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);spi_flash_buffer_read(read_buffer, test_addr, SPI_FLASH_PAGE_SIZE);my_printf(&huart1, "Data read: \"%s\"\r\n", read_buffer);

7，比较read_buffer和write_buffer

memcmp(write_buffer, read_buffer, SPI_FLASH_PAGE_SIZE)