嵌入式软件--STM32 SPI通信（上）

类似于串口、IIC，SPI也是一种通信协议。全称Serial Peripheral interface,串行外围设备接口。

一、SPI概念

1.1物理层

SPI：串行外围设备接口

Motorola(摩托罗拉）首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

SPI接口主要应用于EEPROM,FLASH,各种传感器，AD转换器等。扩展各种外设，传感器，转换器。

高速的，全双工，同步的串行通信总线。同时发同时收。 

物理层有四条线，时钟 片选 输入 输出

SCK时钟线，用于通讯的数据同步。由主机产生决定通讯的通讯速率。STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2。两个设备通讯，速率受限于低速设备。

MOSI:主设备输出/从设备输入引脚

MISO：主设备输入/从设备输出

SS：片选线或者使能线。主机要连接多条从设备就需要多条片选线。因为SPI通信时，各设备没有地址，不需要地址码，就是费片选线，有几个从设备就要设置多少片选线。主机的片选线只需要任意决定状态的IO口，从设备有决定状态的片选线，被选定时是固定状态。

1.2协议层

1.2.1数据交换过程

物理层多线，协议层就方便了好多，不需要地址码，基本上就是主从机之间的数据交换。甚至连移位寄存器都可以共用。

主机寄存器左移一位发出去，低位会空出来，从机高位左移一位发出去，正好填补主机寄存器空出来的低位。

移位寄存器临时存储要交换的数据（来自发送缓冲区）。

接收缓冲区存储最终得到的值。

所谓交换，就是一个循环传递。时钟上升沿，主从机左移一位，将高位的值发出，一般高位先行。时钟下降沿，主从机将低位读取接收，存储到低位寄存器的低位。经过8次交换，就能完成一个字节交换，最后从接收缓冲区读取字节。

1.2.2时钟的极性与相位

数据采样和设置时钟的极性和相位有关。

通信的整个过程分为空闲时刻和通信时刻。CPOL：Clock Polarity

空闲状态SCK是低电平，CPOL=0;空闲状态SCK是高电平，CPOL=1

CPHA:clock phase，时钟的相位，直接决定SPI总线从哪个跳变沿开始采样数据。

CPHA=0:表示从第一个跳变沿开始采样；CPHA=1:表示从第2个跳变沿开始采样

通过极性和相位，SPI有四种工作模式。

mode0:空闲状态时为低电平，且在第一个跳变沿采样。就是第一个上升沿采样。

mode1:空闲状态为低电平，且在第二个跳变沿采样。第一个下降沿采样。

mode2:第一个下降沿采样。

mode3:第一个上升沿采样。

下面是模式0和模式2的时序图：

模式3和模式1

很多设备喜欢上升沿采样，也就是模式0和模式3.大多选择模式0.

二、SPI通信_W25Q32芯片

2.1介绍

SPI与IIC一样，可以拓展各种各样的外设。我们可以用SPI扩展一种名为W25Q32的存储器（NOR FLASH：基于或非门构建的flash）

DI:FLASH的输入，连接的是stm32的输出，主设备输出，从设备输入，也就是写入数据。

DO：flash的输出，连接的是stm32的输入，主设备输入，从设备输出，也就是主机在读取flash的数据。

SPI-NSS是从设备选择，主设备连接从设备时，不需要连接自己的片选线，随便用一个IO口连接从设备的片选线。

flash作为从设备，CS连接主机stm32的一个IO口。

flash芯片只支持模式0和模式3；写的时候必须是先擦除，擦除后再写入；移位是高位优先。

这个flash有32M bit,也就是4M字节. 

2.2读写要求与存储结构

2.2.1状态寄存器

Status Register 状态寄存器表示当前能不能写入。他有一个关键的位叫Busy，置一时不允许写入和读写，只能查询。

和EEprom一样，也需要页写地址，字节地址。那么4M字节需要多少位来表示？一个字节8位，三个位可以表示其字节，像000 111 010 110 101 100……，三位地址可以表示8这个字节，而8是2的立方，所以可以三位表示。4M字节是2的22次方，所以需要22位来表示极限。22个1位写成十六进制就是0x3fffffh,这个地址线太大了。我们可以划分区块，一块64kB可以划分64块。64k=2^6*2^10=2^16.

block 0范围：0x000000h~0x00ffffh

block 1范围：0x010000h~0x01ffffh

22位地址：前六位块号 4位段号 4位页号 8位页内地址

2.2.2写入操作和读取操作

写入注意事项：

（1）写入操作前，必须先进行写使能。

（2）每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1.

（3）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进行。

（4）连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入。

（5）写入操作结束后，芯片进入忙状态（busy），不响应新的读写操作。

读取注意事项：

（1）直接调用读取时序，无需读使能，无需额外操作，没有页的限制。

（2）读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取。

三、W25Q32芯片读写指令

READ DATA:

四、通信案例1——软件模拟SPI读写flash_框架搭建和读取ID

4.1交换数据时序（核心）

一般使用模式0

ss低电平状态开始工作，时序结束后高电平结束工作。

4.2软件模拟SPI读写flash

4.2.1需求描述

基于寄存器操作，使用软件模拟SPI协议，并完成读写FLash。

4.2.2硬件电路设计

主机的PC13gpio口执行电平状态选择要通信的从设备flash.

GPIO口 PA5模拟时钟线SCK，PA6模拟MISO,PA7模拟MOSI.

4.2.3软件设计（寄存器）

因为时软件模拟，这个工程与IIC相似，所以可以复制之前的IIC软件模拟工程。

在硬件层文件夹里创建SPI文件夹，里面创建spi.c和spi.h文件。接口层里创建FLASH文件夹，里面创建w25q32.c和w25q32.h文件。

#include "spi.h"// 初始化
void SPI_Init(void)
{// 1.开启时钟RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;// 2.GPIO工作模式// 2.1cs-pc13,通用推挽输出，CNF=00,MODE=11GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE13;GPIOC->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF13;// 2.2SCK-PA5,通用推挽输出，CNF=00,MODE=11GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE5;GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF5;// 2.3MOSI-PA7,通用推挽输出，CNF=00,MODE=11GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE7;GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF7;// 2.4MISO-PA6,浮空输入，CNF=01,MODE=00GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE6;GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF6_1;GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF6_0;// 3.SCK 保持空闲状态，模式0-低电平空闲SCK_LOW;// 4.片选初始不选中CS_HIGH;// 5.延时SPI_DELAY;
}// SPI通信的开启和关闭(通过片选信号控制)
void SPI_Start(void)
{CS_LOW;
}
void SPI_Stop(void)
{CS_HIGH;
}// 一个时钟周期内，主从交换一个字节数据
uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t byte)
{// 定义变量接收数据uint8_t rByte = 0x00;// 用循环依次读写每一位for (uint8_t i = 0; i < 8; i++){// 1.判断当前最高位，将MOSI拉至对应电平if (byte & 0x80){MOSI_HIGH;}else{MOSI_LOW;}//2.左移一位byte <<= 1;//3.拉高时钟，在第一个上升沿采样数据SCK_HIGH;SPI_DELAY;//4.先左移，空出最低位来存放读取的数据rByte <<= 1;// 2.在MISO上采样读取数据if (MISO_READ){
rByte |= 0x01;//读到高电平，最后一位置1}//6.拉低时钟，为下次传输做准备SCK_LOW;SPI_DELAY;}return rByte;
}

#ifndef __SPI_H_
#define __SPI_H_
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
// 宏定义引脚线的操作
// CS -PC13
#define CS_HIGH (GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_ODR13)
#define CS_LOW (GPIOC->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR13)//SCK -PA5
#define SCK_HIGH (GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR5)
#define SCK_LOW (GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR5)//MOSI -PA7
#define MOSI_HIGH (GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR7)
#define MOSI_LOW (GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR7)//MISO -PA6,读取数据线
#define MISO_READ (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR6)//定义标准延迟时间 100khz 10us
#define SPI_DELAY Delay_us(5)//初始化
void SPI_Init(void);//SPI通信的开启和关闭
void SPI_Start(void);
void SPI_Stop(void);//一个时钟周期内，主从交换一个字节数据
uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t byte);
//SPI
#endif

#include "w25q32.h"//初始化
void W25Q32_Init(void)
{SPI_Init();
}//读取JEDEC ID,进行测试
void W25Q32_ReadID(uint8_t *pMID,uint16_t *pDID)
{
//1.开启SPI通信，片选使能
SPI_Start();
//2.发送9fh指令
SPI_SwapByte(0x9f);
//3.依次读取三个字节的ID
//3.1第一个字节，生产商ID
*pMID = SPI_SwapByte(0xff);
//3.2第二个字节，设备ID
*pDID = 0;
*pDID |= SPI_SwapByte(0xff) << 8;
*pDID |= SPI_SwapByte(0xff)& 0xff;
//4.关闭SPI通信
SPI_Stop();
}

#ifndef __W25Q32_H
#define __W25Q32_H
#include "spi.h"//初始化
void W25Q32_Init(void);//读取JEDEC ID,进行测试
void W25Q32_ReadID(uint8_t *pMID,uint16_t *pDID);
//写使能和关闭使能
void W25Q32_WriteEnable(void);
void W25Q32_WriteDisable(void);//等待直到状态不为Busy
void w25q32_wait4NotBusy(void);//段擦除，传入块号和段号
void W25Q32_EraseSector(uint8_t block,uint8_t sector);//页写,地址以块号-段号-页号 形式表示
void W25Q32_WritePage(uint8_t block,uint8_t sector,uint8_t page,uint8_t *data,uint16_t len);
//读取
void w25q32_Read(uint32_t addr,uint8_t *buffer,uint16_t len);
#endif

/** @Author: wushengran* @Date: 2024-09-13 16:29:39* @Description:** Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.*/#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "w25q32.h"int main(void)
{// 初始化USART_Init();W25Q32_Init();printf("软件模拟实验...\n");//读取JEDEC IDuint8_t mID=0;uint16_t dID=0;W25Q32_ReadID(&mID, &dID);printf("mID = %x, dID = %#x\n", mID, dID);while (1){}
}

到时候用一个串口调试工具，查看输出的值。