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非易失性存储器·W25Q64使用手册解读

news 2025/11/16 6:42:14

1. 简介

2. 引脚定义

3. 设计框图

3.1 控制逻辑

3.2 存储逻辑

4. 指令集

4.1 写使能指令（06h）

4.2 写禁止指令（04h）

4.3 读状态寄存器指令（05h）

4.4 写状态寄存器指令（01h）

4.5 读数据指令（03h）

1. 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)

芯片型号	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

对于上述数据怎么来的呢？我们可以参考数据手册，对于W25Q64其是 64Mbit 的容量，而1数据位是8字节，那么 64Mbit 就是 8MByte：

2. 引脚定义

芯片手册的引脚图如下：

引脚	功能	补充
VCC、GND	电源（2.7~3.6V）
CS（SS）	SPI片选，低电平有效	当 /CS 为高电平时，设备处于未选中状态，串行数据输出（DO 或 IO0、IO1、IO2、IO3）引脚处于高阻态。当设备未选中时，除非正在进行内部擦除、编程或状态寄存器操作，否则设备功耗将处于待机水平。当 /CS 为低电平时，设备将被选中，功耗将增加到活动水平，并且可以向设备写入指令和从设备读取数据。上电后，在接受新指令之前，/CS 必须从高电平变为低电平。/CS 输入在上电时必须跟踪 VCC 电源电平，如有需要，可在 /CS 上使用上拉电阻来实现这一点。
CLK（SCK）	SPI时钟	串行时钟（CLK）SPI 串行时钟输入（CLK）引脚为串行输入和输出操作提供时序。
DI（MOSI）	SPI主机输出从机输入	W25Q64BV 支持标准 SPI、双 SPI 和四 SPI 操作。标准 SPI 指令使用单向 DI（输入）引脚，在串行时钟（CLK）输入引脚的上升沿将指令、地址或数据串行写入设备。标准 SPI 还使用单向 DO（输出）引脚在时钟（CLK）下降沿从设备读取数据或状态。双线和四线 SPI 指令使用双向 IO 引脚在时钟（CLK）上升沿向设备串行写入指令、地址或数据，并在时钟（CLK）下降沿从设备读取数据或状态。四线 SPI 指令要求状态寄存器 2 中的非易失性四线使能位（QE）被设置。当 QE=1 时，WP 引脚变为 IO2，/HOLD 引脚变为 IO3。
DO（MISO）	SPI主机输入从机输出
WP	写保护，低电平有效	写保护（/WP）引脚可用于防止状态寄存器被写入。与状态寄存器的块保护（SEC、TB、BP2、BP1 和 BPO）位以及状态寄存器保护（SRP）位配合使用时，可以对部分或整个存储阵列进行硬件保护。/WP 引脚为低电平有效。当状态寄存器 2 的 QE 位设置为四线 IO 时，/WP 引脚（硬件写保护）功能不可用，因为此引脚用于 IO2。
HOLD	数据保持	/HOLD 引脚允许在设备被选中时将其暂停。当 /HOLD 被拉低时。当 /CS 为低电平时，DO 引脚将处于高阻态，DI 和 CLK 引脚上的信号将被忽略（无关紧要）。当 /HOLD 被置为高电平时，设备操作可以恢复。当多个设备共享相同的 SPI 信号时，HOLD 功能可能很有用。/HOLD 引脚为低电平有效。当状态寄存器 2 的 QE 位设置为四线 I/O 时，HOLD 引脚功能不可用，因为此引脚用于 IO3。

常规外围电路设计：

3. 设计框图

我们分上下两部分介绍，完整的设计框图：

3.1 控制逻辑

先说一下控制逻辑部分：

首先左侧框住部分和芯片引脚相连，可以参考上方电路图，然后 Write Control Logic 配合 WP 引脚进行写保护的操作，其状态会被状态寄存器记录下来：

BUSY位：忙位，是只读位，位于状态寄存器中的S0。当执行页编程、扇区擦除、块擦除、芯片擦除、写状态寄存器等指令时，该位将自动置 1。此时，除了读状态寄存器指令，其他指令都忽略；当页编程、扇区擦除、块擦除、芯片擦除和写状态寄存器等指令执行完毕之后，该位将自动清 0，表示芯片可以接收其他指令了。
WEL位：写保护位，是只读位，位于状态寄存器中的S1。执行完写使能指令后，该位将置 1。当芯片处于写保护状态下，该位为 0。
BP2、BP1、 BP0位：块保护位，是可读可写位，分别位于状态寄存器的S4、S3、S2，可以用写状态寄存器指令置位这些块保护位。在默认状态下，这些位都为 0，即块处于未保护状态下。可以设置块为没有保护、部分保护或者全部保护等状态。
TB位：底部和顶部块的保护位，是可读可写位，位于状态寄存器的 S5。该位默认为 0，表明顶部和底部块处于未被保护状态下，可以用写状态寄存器指令置位该位。当 SPR位为 1 或 /WP引脚为低电平时，这些位不可以被更改。
保留位：位于状态寄存器的 S6，读取状态寄存器值时，该位为 0。
SRP位：状态寄存器保护位，是可读可写位，位于状态寄存器的 S7。该位结合 /P引脚可以禁止写状态寄存器功能。该位默认值为0。当SRP=0时，/WP引脚不能控制状态寄存器的写禁止；当 SRP=1 且 /P=0时，写状态寄存器指令失效；当SRP=1 且 /P=1 时，可以执行写状态寄存器指令。

实现掉电不丢失部分，W25Q64 的每一个存储单元（存储一个比特 0 或 1）在物理上都是一个 “浮栅MOSFET晶体管”。

浮栅：这是一个被绝缘体（二氧化硅）完全包围、与外界物理隔离的导电栅极。电荷一旦被注入，就无法轻易逃逸。
电荷的囚笼：你可以把浮栅想象成一个“电子陷阱”。在无外力作用下，被困在里面的电子可以稳定地保存很多年（通常超过20年）。

状态如何定义？

状态 ‘1’ （已擦除）：浮栅内没有电子。此时晶体管的阈值电压较低，容易导通。
状态 ‘0’ （已编程）：通过高压，将电子注入到浮栅中。这些电子的存在会改变晶体管的特性，使其阈值电压变高，不易导通。

接着页地址锁存计数器和字节地址锁存计数器。

页地址锁存计数器：它锁存的是 “页”的编号。对于 8MB 的芯片，总页数为 8,388,608 / 256 = 32,768 页。所以这个计数器可以理解为一个从 0 到 32767 的计数器。这个计数器保存的是地址的高16位（A23-A8）。它决定了当前读取操作位于哪一页。
字节地址锁存计数器：它锁存的是在一个页内部的 “字节”位置。由于一页只有 256 字节，所以这个计数器是一个 8 位计数器，范围是 0 到 255。这个计数器保存的是地址的低8位（A7-A0）。它决定了当前读取操作从该页的哪个字节开始。

简单来说，页地址锁存计数器，管理 “在哪一页”，在字节计数器溢出时递增。字节地址锁存计数器，管理 “在页内的哪个字节”，每读取一个字节就递增一次。

3.2 存储逻辑

首先我们先看一些这个介绍：

简单翻译一下，W25Q64BV 阵列由 32,768 个可编程页组成，每页 256 字节。每次最多可编程 256 字节。页可以以 16 页为一组（扇区擦除）、128 页为一组（32KB 块擦除）、256 页为一组（64KB 块擦除）或整个芯片（芯片擦除）的方式进行擦除。W25Q64BV 分别具有 2048 个可擦除扇区和 128 个可擦除块。较小的 4KB 扇区在需要数据和参数存储的应用中提供了更大的灵活性：