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STM32学习（MCU控制）（SPI and Flash 存储）

news 2025/11/2 8:37:05

文章目录

- SPI 和 Flash 存储
- - - 1. SPI 基本概述
    - - 1.1 SPI 概述
      - 1.2 SPI 连接方式
      - 1.3 SPI 的四种工作模式【背诵】
      - 1.4 SPI 数据形式
      - 1.5 SPI 环形总线结构
    - 2. STM32 SPI 支持
    - - 2.1 SPI 框图和技术特征
      - 2.2 SPI 配置
      - 2.2.1 MCU SPI 配置为主模式
        2.2.2 SPI 对应引脚和时钟分析
    - 3. W25Q128 Flash 存储芯片
    - - 3.1 存储芯片基本内容
      - 3.2 W25Q128 芯片技术参考内容
      - 3.3 W25Q128 控制线和数据模式
      - 3.4 地址规则【重点】
      - 3.5 W25Q128 指令对照表
    - 4. 标准库 SPI Flash 移植
    - - 4.1 标准库 SPI 原码移植到项目中
      - 4.2 原码修改

SPI 和 Flash 存储

1. SPI 基本概述

1.1 SPI 概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的串行通信总线协议，由摩托罗拉（现为 NXP）公司开发。它被广泛应用于微控制器（MCU）、传感器、存储器（如 Flash、SD卡）、实时时钟（RTC）、数字信号处理器（DSP）等各种外围设备之间的短距离通信。

由于其简单性和高效率，SPI 是嵌入式系统中最常用的通信协议之一。

1.2 SPI 连接方式

SPI 属于一主多从方式。Master 主机 Slave 从机
SCLK 时钟线，要求主机必须提供主机和从机之间通信使用的时钟频率。用于控制当前 SPI 工作模式
MOSI/sdo, Master Output, Slave Input，主机发送数据，从机接收数据，主机发送数据端口。
MISO/sdi, Master Input, Slave Output，从机发送数据，主机接受数据，主机接受数据端口
SS/cs, SPI Select/chip select, 片选线，根据当前 SS/cs 高电平选择，选择当前主机对应通信的对应从机是哪一个。

补充说明

SPI 全双工实现是依赖于 MISO/sdi 和 MOSI/sdo，利用两根数据通信线，基于 SCLK 时钟完成数据通信，可以同时进行读写操作。
SS/cs SPI 实现一主多从方式是依赖于片选线，多组设备连接一组 SPI 协议接口，需要提供多个 SS/cs 片选线控制通信外设选择。

1.3 SPI 的四种工作模式【背诵】

CPOL (Clock Polarity)：时钟极性

决定了 SCK 时钟信号在空闲时的状态。
CPOL = 0：时钟空闲时为低电平。
CPOL = 1：时钟空闲时为高电平。

CPHA (Clock Phase)：时钟相位

决定了数据是在时钟的第几个边沿被采样/捕获/读取 ==> 对应 MISO/sdi。
CPHA = 0：数据在时钟的第一个边沿（即第一个跳变沿）被采样。第二个编译
CPHA = 1：数据在时钟的第二个边沿被采样。

依据以上两个控制变量匹配，对应 SPI 有四种工作模式

通过组合 CPOL 和 CPHA，就构成了 SPI 的四种工作模式：

模式 0 (Mode 0)： CPOL=0, CPHA=0
模式 1 (Mode 1)： CPOL=0, CPHA=1
模式 2 (Mode 2)： CPOL=1, CPHA=0
模式 3 (Mode 3)： CPOL=1, CPHA=1

工作模式中，使用 SPI0 和 SPI3 较多。

模式	CPOL	CPHA	时钟空闲状态	采样时刻	发送时刻
SPI0	0	0	Low	第一个边沿 (上升沿)	第二个边沿 (下降沿)
SPI1	0	1	Low	第二个边沿 (下降沿)	第一个边沿 (上升沿)
SPI2	1	0	High	第一个边沿 (下降沿)	第二个边沿 (上升沿)
SPI3	1	1	High	第二个边沿 (上升沿)	第一个边沿 (下降沿)

1.4 SPI 数据形式

主要分析 SPI 数据 0 和数据 1
SPI 数据是依赖于 SCLK 时钟线，MISO/sdi 和 MOSI/sdo 数据线完成分析，同时需要考虑当前 SPI 的工作模式
按照 SPI0 工作模式 CPOL = 0 (时钟空闲位低电平)， CPHA = 0 (第一个跳变沿采集数据) 分析 SPI 数据 0 和 1

1.5 SPI 环形总线结构

2. STM32 SPI 支持

2.1 SPI 框图和技术特征

需要控制的寄存器有
SPIx_CR1 SPIx_CR2 SPIx_SR

2.2 SPI 配置

2.2.1 MCU SPI 配置为主模式

2.2.2 SPI 对应引脚和时钟分析

利用开发版中的 W25Q128 演示 SPI 操作

根据当前原理图分析，时钟使能对应 GPIOB 和 SPI2
GPIOB 对应使用控制寄存器是 APB2ENR
SPI2 对应使用控制寄存器是 APB1ENR ，注意 APB1 外设最大的时钟频率为 36 MHz

3. W25Q128 Flash 存储芯片

3.1 存储芯片基本内容

W25Q128 是华邦电子（Winbond）生产的一款非常流行和经典的 128M-bit 串行 Flash 存储器芯片。它采用 SPI（串行外设接口） 进行通信，因其容量适中、接口简单、成本低廉、可靠性高，被广泛应用于各种电子设备中。

除 W25Q128 版本还有

W25Q128 ==> 实际容量是 16 MB
W25Q64 ==> 实际容量是 8 MB
W25Q32 ==> 实际容量是 4 MB
W25Q16 ==> 实际容量是 2 MB

基于当前 STM32 单片机内部的 Flash 存储空间较少，可以利用外部的 Flash 芯片作为存储设备。可以用于车辆里程信息存储，指纹锁密码和指纹信息存储，RFID 读卡器数据存储。

3.2 W25Q128 芯片技术参考内容

W25Q128 是一款 高性能、低功耗、高可靠性 的串行闪存芯片，适用于 嵌入式、IoT、汽车电子、工业控制 等多种应用场景。其 SPI/QSPI 接口、高速读写、工业级温度范围 等特点，使其成为现代电子系统中的理想存储解决方
存储容量：128Mbit（16MB），采用 16M × 8 的组织结构。
接口类型：
标准 SPI（Serial Peripheral Interface）
Dual SPI（双线 SPI）
Quad SPI（四线 SPI）
QPI（快速四线 SPI）

时钟频率：最高 104MHz（标准 SPI），在 Quad SPI 模式下可进一步提升数据传输速率。
写入速度：
字写周期 50μs
页写周期 3ms（256字节/页）。

擦除单位：
扇区擦除（4KB）
块擦除（64KB）
整片擦除（16MB）。

工作电压：2.7V~3.6V，适用于多种嵌入式系统。满足 3.3V 标准 MCU 工作电压需求。
温度范围：工业级 -40°C ~ +85°C，适用于严苛环境。
封装形式：
SOP-8（小型封装）
WSON-8（更紧凑的封装）。

数据保持时间：20年（非易失性存储）。
擦写寿命：100,000次（每个存储单元可擦写10万次）。
电流数据
工作电流低于 5 mA
掉电电流低于 1uA

3.3 W25Q128 控制线和数据模式

片选 CS / SS
CS引脚用于启用或禁用设备操作：
当CS为高电平时：
设备处于未选中状态，串行数据输出引脚（DO或IO0、IO1、IO2、IO3）呈高阻抗态；
若设备未执行内部擦除、编程或状态寄存器写入操作，其功耗将降至待机水平。电流 1 uA

当CS拉低时：
设备被选中，功耗升至工作状态 电流不大于 5 mA，此时可向设备写入指令或读取数据；
上电后，必须确保/CS经历一次从高到低的跳变，设备才会接受新指令。

输入输出 DO DI
4.2 串行数据输入、输出及输入/输出端口（DI、DO与IO0、IO1、IO2、IO3）
W25Q128FV支持标准SPI、双线SPI和四线SPI操作。在标准SPI模式下：
单向DI（输入）引脚用于在串行时钟（CLK）输入引脚的上升沿，向设备串行写入指令、地址或数据；DI 连接的引脚是 MCU MOSI/sdo
单向DO（输出）引脚则在CLK的下降沿从设备读取数据或状态。DO 链接引脚是 MCU 的MISO/sdi

写保护 WP
WP引脚用于防止状态寄存器被意外写入，其特性如下：
硬件写保护机制：
通过与状态寄存器的块保护位（CMP、SEC、TB、BP2、BP1、BP0）及状态寄存器保护位（SRP）配合，可实现从最小4KB扇区到整个存储阵列的硬件保护。
该引脚为低电平有效（Active Low），当拉低时激活保护功能。

四线模式下的功能切换：
若状态寄存器-2中的QE位（Quad使能位）被置1，设备将进入四线I/O模式，此时/WP引脚功能失效，转而作为IO2信号线使用。
四线I/O模式的引脚配置详见图1a至1c。

Hold 引脚
暂停与恢复控制：
当CS为低电平（设备选中）且HOLD被拉低时：
DO引脚将进入高阻态；
DI和CLK引脚上的信号将被忽略（无效状态）。

当HOLD恢复高电平后，设备操作将继续执行。

多设备共享SPI总线时的应用：
该功能特别适用于多个设备共享同一组SPI信号线的场景，可通过/HOLD临时挂起当前设备以切换总线控制权。
引脚为低电平有效（Active Low）。

四线模式下的功能切换：
若状态寄存器-2中的QE位（Quad使能位）被置1，设备进入四线I/O模式，此时/HOLD引脚功能失效，转而作为IO3信号线使用。
四线I/O模式的引脚配置详见

3.4 地址规则【重点】

块 Block
块区域字节数是 64 KB，按照一块字节数数量，地址范围是 0x0000 ~ 0xFFFF
当前设备是 W25Q128 对应 16 MB 空间，当前设备一共有 256 块(64KB)，按照块进行编号 0x00 ~ 0xFF
整个 Flash 空间中每一个字节对应的地址是 0x000000 ~ 0xFFFFFF

扇区
每一个扇区占用 4 KB，一块 ==> 16 扇区
在当前块中，对应扇区的编号是 0x0 ~ 0xF (0 ~ 15)

页
每一页占用 256 字节，一个扇区 ==> 16 页
在当扇区中，对应页的编号是 0x0 ~ 0xF (0 ~ 15)

页内字节
每一页占用 256 字节
页内字节对应的地址凡是 0x00 ~ 0xFF (0 ~ 255)

需要在第 12 块中，第 10 个扇区，第 5 页中的页内 108 个字节写入一个字节数据

对应地址0x0B946B

3.5 W25Q128 指令对照表

指令名称 (Instruction Name)	操作码 (Hex) (Opcode)	功能描述 (Description)	时钟周期 (Clock Cycles)	地址字节 (Address Bytes)	哑字节 (Dummy Bytes)	数据字节 (Data Bytes)
写使能	0x06	允许后续的写入或擦除操作	8	0	0	0
写禁止	0x04	禁止后续的写入或擦除操作	8	0	0	0
读状态寄存器-1	0x05	读取状态寄存器1的值（位S7到S0）	8+8	0	0	1+ (可连续读)
读状态寄存器-2	0x35	读取状态寄存器2的值（位S15到S8）	8+8	0	0	1+ (可连续读)
写状态寄存器	0x01	写入状态寄存器（同时配置S7-S0和S15-S8）	8+16	0	0	2
页编程	0x02	将数据写入芯片（最大256字节为一页）	8+24	3	0	1-256
扇区擦除 (4KB)	0x20	擦除一个4KB大小的扇区	8+24	3	0	0
块擦除 (32KB)	0x52	擦除一个32KB大小的块	8+24	3	0	0
块擦除 (64KB)	0xD8	擦除一个64KB大小的块	8+24	3	0	0
整片擦除	0xC7 / 0x60	擦除整个芯片的所有数据	8	0	0	0
读取数据	0x03	从指定地址开始读取数据	8+24	3	0	1+ (可连续读)
快速读取	0x0B	比标准读取更快的读取方式	8+24	3	1	1+ (可连续读)
双线快速读取	0x3B	使用两条数据线进行快速读取（提高速度）	8+24	3	1	1+ (可连续读)
四线快速读取	0x6B	使用四条数据线进行快速读取（速度最快）	8+24	3	1	1+ (可连续读)
功率下降	0xB9	使芯片进入低功耗睡眠模式	8	0	0	0
释放功率下降	0xAB	将芯片从低功耗睡眠模式中唤醒	8+24	3 (虚设地址)	0	0
读JEDEC ID	0x9F	读取制造商标识、内存类型和设备容量ID	8+24	0	0	3 (返回3字节ID)

0x06 写使能操作

CS/SS 片选线，从高电平跳变到低电平，表示选择当前的外部设备
CLK 时钟线开始工作，对应 SPI 的工作模式是 SPI0(CPOL=0 CPHA=0) 或者 SPI1(CPOL=1 CPHA=1)
对于当前的外表设备，在整个时钟的上升沿阶段进行数据读取。此时根据 DI 数据线分析，设备读取到的数据内容为 0000 0110 ==> 0x06 W25QXXX 系列芯片进入【写使能状态】

0x04 禁止写

CS/SS 片选线，从高电平跳变到低电平，表示选择当前的外部设备
CLK 时钟线开始工作，对应 SPI 的工作模式是 SPI0(CPOL=0 CPHA=0) 或者 SPI1(CPOL=1 CPHA=1)
对于当前的外表设备，在整个时钟的上升沿阶段进行数据读取。此时根据 DI 数据线分析，设备读取到的数据内容为 0000 0100 ==> 0x04 W25QXXX 系列芯片进入【禁止写状态】