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带你了解STM32：SPI通信（软件部分）

news 2025/10/13 9:30:12

0.SPI相交于I2C的优缺点

1.SPI通信

2.硬件电路

3.移位示意图（SPI硬件电路设计的核心）（下面的时序都是这个逻辑进行字节交换）

4.SPI时序基本单元

5.SPI时序（W25Q64）

6.W25Q64简介

7.硬件电路

8.W25Q64框图

9.Flash操作注意事项

10.参考资料（状态寄存器、框架图、指令集……）

11.软件SPI读写W25Q64代码

第一步：按图接线到面包板上

第二步：复制OLED显示屏代码

工程思路：

第三步：建立MySPI模块，完成通信引脚封装、初始化、时序：起始、终止、交换一个字节

模式0

模式1

模式2

模式3

第四步：MySPI头文件声明

第五步：新建立一个头文件，命名为W25Q64_Ins，封装指令码

第六步：建立W25Q64驱动模块，调用底层SPI，拼接各种指令和功能的完整时序，比如：写使能、擦除、页编程、读数据等等，模块函数功能实现参考手册，模块的建成也要看Flash操作注意事项

第七步：W25Q64头文件声明

第八步：主函数调用

0.SPI相交于I2C的优缺点

优点：1.SPI传输更快，SPI协议并没有严格规定最大传输速度，这个最大速度取决于芯片厂商的设计需求，比如：W25Q64存储器芯片，最大可达80MHz；2.设计比较简单粗暴，比I2C简单好学

缺点：1.因为设计比较简单粗暴，所以功能就没有I2C怎么多了；2.SPI的硬件资源开销多，通信线的个数比较多，并且通信过程中，经常会有资源浪费的现象

1.SPI通信

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）（别名：SCLK、CLK、CK）、MOSI（Master Output Slave Input）（别名：DO）、MISO（Master Input Slave Output）（别名：DI）、SS（Slave Select）（别名：NSS、CS）

SCK：时钟信号，数据位的输出和输入，都是在SCK的上升沿和下降沿进行的，数据位的收发时刻就可以明确的确定；MOSI：主机输出从机输入，如果是主机接到这根线上，那就是MO，主机输出，如果是从机接到这条线上，就是SI，从机输入；MISO：主机从从机接收数据的线路；MOSI和MISO加在一起相当于I2C总线的SDA，但是SDA是半双工，这里是全双工；SS：从机选择线，直接连接到从机上，不用寻址，低电平呼叫从机，高电平释放从机

同步，全双工

支持总线挂载多设备（一主多从）

从左到右：W25Q64（Flash存储器芯片）、OLED、2.4G无线通信模块、Micro SD卡

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

3.移位示意图（SPI硬件电路设计的核心）（下面的时序都是这个逻辑进行字节交换）

SPI一般是高位先行，每来一个时钟，移位寄存器会向左进行移位，移位寄存器时钟源主机提供（波特率发生器），主机移位寄存器左移数据，从左边出去通过MOSI引脚，移动到从机移位寄存器右边，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

电路工程流程：波特率发生器时钟的上升沿，所以移位寄存器向左移动一位，移出去的位放在引脚上，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

假设，主机有个数据10101010要发送到从机，同时从机一个数据01010101要发送到主机，驱动时钟先产生一个上升沿，所有的位会往左移动一次（图1），移除去的数据会放在通信线上，实际是放在输出数据寄存器上，此时MOSI数据是1，所以MOSI的电平是高电平，MISO数据是0，所以MISO的电平是低电平，这就是第一个时钟上升沿执行的结果（图2）；之后时钟置一个下降沿，在下降沿时，主机和从机内，都会进行数据采样输入，也就是MOSI的1，会采样输入到从机的最低位，MISO的0，会采样输入到主机的最低位。这就是一个时钟结束后的现象（上升沿和下降沿的组合）（图3）；如此字节交换，最终8个时钟过后，主机的数据在从机里，从机的数据在主机里。

如果只发不收，仍然用交换字节的时序，接收的数据（一般给从机写入0x00或0xFF）不看即可；如果只收不发，同理，调用交换字节的时序，随便发一个数据，从机不会看这个随便发的数据（一般发0x00或0xFF）

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）（最常用）

MISO因为有多个从机输出连在一起，如果同时开启输出，会造成冲突，所以解决方法是在SS未被选中的状态，从机的MISO引脚必须关断输出，即配置为高阻状态（就是图中的一根线），SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻状态

CPOL（时钟极性）=0：空闲状态时，SCK为低电平

CPHA（时钟相位，决定第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入）=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据，在SCK第一个边沿之前就把数据移出了（或者理解为在第0个边沿移出）。相较于模式1提前半个相位（时钟）将数据移出

交换一个字节（模式1）

MISO因为有多个从机输出连在一起，如果同时开启输出，会造成冲突，所以解决方法是在SS未被选中的状态，从机的MISO引脚必须关断输出，即配置为高阻状态（就是图中的一根线），SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻状态

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）

将模式0的SCK极性取反，就是模式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）

将模式1的SCK极性取反，就是模式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

5.SPI时序（W25Q64）

采用指令码加读写数据的模型。流程：SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，这个数据一般是指令码；在从机中对应的会定义一个指令集，不同指令，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，如：W25Q64的写使能、写失能等指令，有的指令，后面就需要再跟要读写的数据，比如：W25Q64的写数据、读数据等

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06），0x06表示写使能，主机向从机发送写使能的指令，从机接收到指令后，控制硬件，进行写使能

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]）（地址是24位的分为3个字节传输）下，写入指定数据（Data）

第一个字节，发送写数据的指令；第二个字节到第四个字节都是地址，0x12（23~16位）、0x34（15~8位）、0x56（7~0位）；第五个字节：写入的数据，表示在0x123456地址下，写入0x55这个数据

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）

第一个字节，发送读数据的指令；第二个字节到第四个字节都是地址，0x12（23~16位）、0x34（15~8位）、0x56（7~0位）；第五个字节：读取的数据，表示在0x123456地址下的数据通过MISO发给主机

6.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

7.硬件电路

8.W25Q64框图

存储器的规划示意图

8MB的存储空间，先划分为若干的块（Block），其中每一块再划分为若干的扇区（Sector），对于每个扇区内部又可以分成很多页（Page）

SPI Command & Control Logic：SPI控制逻辑。芯片内部进行地址锁存、数据读写等操作，这个是芯片自行完成的

Status Register：状态寄存器。芯片是否处于忙状态、是否写使能、是否写保护等等都可以在这个寄存器里面体现

Write Conteol Logic：写控制逻辑。和外部的WP引脚相连，通过这个引脚实现硬件写保护

High Vollage Generators：高电压生成器。配合Flash进行编程

指定地址，通过SPI发过来3个字节的地址，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，所以发送的3个字节的地址，前两个字节会进入这个页地址锁存计数器里，最后一个字节会进入字节地址锁存计数器里。然后，页地址，通过写保护和行解码，选择要操作哪一页，字节地址，通过列解码和256字节页缓存区（RAM存储器），进行指定字节的读写操作

Page Address Latch/Counter：页地址锁存/计数器

Byte Address Latch/Counter：字节地址锁存/计数器

Column Decode And 256-Byte Page Buffer：256字节页缓冲区。一种RAM存储器，因为Flash的写入太慢，跟不上SPI的频率，所以写入的数据会先放在RAM里面暂存，等时序结束后，芯片在慢慢地把数据写入到Flash里

9.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（一个扇区）（对于W25Q64是4096个字节）单元进行，如果不擦除，读出的数据=原始数据&写入的数据

连续写入多字节时，最多写入一页（对于W25Q64是256个字节）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

10.参考资料（状态寄存器、框架图、指令集……）

11.软件SPI读写W25Q64代码

第一步：按图接线到面包板上

第二步：复制OLED显示屏代码

工程思路：

首先建立一个MySPI模块，这个模块包含通信引脚封装、初始化、时序：起始、终止、交换一个字节

然后基于MySPI，建立一个W25Q64模块，这个模块调用底层SPI，拼接各种指令和功能的完整时序，比如：写使能、擦除、页编程、读数据等等，所以这个模块是W25Q64的硬件驱动层

最后，在主函数里，调用W25Q64的硬件驱动层的函数，完成想要实现的功能