STM32 SPI设备实现及驱动分析（裸机 &&RT-Thread）
1、spi基本介绍
SPI 是英语 Serial Peripheral interface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口,是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
SPI 接口一般使用 4 条线通信：
MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK 时钟信号，由主设备产生。
CS 从设备片选信号，由主设备控制。
SPI总线框架其实和I2C差不多，可以说都是总线设备+从设备，不同的是SPI设备的通信时序配置并不固定，也就是说控制特定设备的总线需要单独配置；这里我主要说一下怎么配置spi及spi设备来实现操作相应的芯片（设备），spi协议的知识不在这里加以赘述。
裸机实现spi设备的过程（以W25Q256为例）
首先是spi设备初始化（w25q256）
初始化须包括：
| 初始化相应SPI |
|---|
| 初始化该spi设备的引脚 |
| 获取spi设备信息 |
| 配置spi设备时钟模式、地址模式 |
| 其它相关spi设备的操作函数（如id、读写） |
其中spi初始化包括：
| spi控制器配置 |
|---|
| 工作模式配置 |
| 单双向模式配置 |
| 数据大小配置 |
| 空闲方式配置 |
| 数据采集方式配置 |
| NSS信号 |
| 定义波特率预分频的值 |
| 数据开始位设置 |
| TI模式是否开启 |
| CRC计算/校检 |
| 最后记得使能启动 |
然后就是spi的时钟和速度的配置：
时钟配置：相应spi控制器时钟和spi控制器相关引脚时钟
速度配置：一般为fAPB1/分频系数
这些配置完后就可以利用HAL_SPI_TransmitReceive来编写spi读写函数了。
这里我把正点原子的初始化代码粘贴过来参考（放在文章结尾）。
RTT实现spi设备的过程（以W25Q256为例）
RTT是如何实现和裸机一样对spi设备初始化呢？
首先rtt里有一个系统spi初始化函数：
int rt_hw_spi_init(void)
{
stm32_get_dma_info();
return rt_hw_spi_bus_init();
}
INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_spi_init);
这个rt_hw_spi_bus_init主要是实现总线注册设备里面包含以下函数：
result = rt_spi_bus_register(&spi_bus_obj[i].spi_bus, spi_config[i].bus_name, &stm_spi_ops);
在此之前需要用户自己打开相应的spi控制器例如：
#ifdef BSP_USING_SPI1
SPI1_BUS_CONFIG,
#endif
#ifdef BSP_USING_SPI2
SPI2_BUS_CONFIG,
#endif
根据打开的相应控制器注册，注册完相应的spi控制器后，我们就可以把自己的spi设备挂载道相应的控制器上，所以我们使用spi设备时rtt还会自动生成一个将spi设备（W25Q256）注册成块设备的函数：
static int rt_hw_spi_flash_init(void)
{
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
rt_hw_spi_device_attach("spi5", "spi50", GPIOF, GPIO_PIN_6);
if (RT_NULL == rt_sfud_flash_probe("W25Q256", "spi50"))
{
return -RT_ERROR;
};
return RT_EOK;
}
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_spi_flash_init);
这个函数包括rt_hw_spi_device_attach和rt_sfud_flash_probe两个函数：
首先先看一下rt_hw_spi_device_attach这个函数,这个函数就和裸机上的初始化spi设备是差不多的，实现相应引脚初始化，挂载并初始化相应的spi总线，这样就实现了spi设备的初始化；
当然rt_sfud_flash_probe这个函数就和我们想的一样主要是实现spi的初始化，具体是怎么实现的呢？
实现主要是用rt_spi_configure函数和stm32_spi_init函数，rt_spi_configure函数实现spi设备的字节、时钟模式、时钟频配置，顺藤摸瓜会发现使用rt_spi_configure会使用stm32_spi_init，而这个函数就是对spi初始化的函数，spi工作模式、收发模式、SPI发送接收字节长度、波特率分频数以及TI模式CRC都是在这里面配置的，这样一来rtt就完全实现了一个spi设备的初始化，在 spi_dev.c 中可以看出，SPI设备的主要操作没有主要使用 I/O 设备模型来操作；而是系统性的一步步初始化，分开而又联系，要指出的是具体rtt的spi数据传输的核心实现在 drv_spi.c 中的 spixfer() 函数，此函数调用Hal 库的 ：
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA / HAL_SPI_TransmitReceive
HAL_SPI_Transmit_DMA / HAL_SPI_Transmit
HAL_SPI_Receive_DMA / HAL_SPI_Receive
来传输函数实现数据传输。
实现spi数据的收发,数据传输的结构体是这样的：
struct rt_spi_message
{
const void *send_buf; /** 发送缓冲区指针 */
void *recv_buf; /** 接收缓冲区指针 */
rt_size_t length; /** 发送 / 接收 数据字节数 */
struct rt_spi_message *next; /** 指向继续发送的下一条消息的指针 */
unsigned cs_take : 1; /** 片选选中 */
unsigned cs_release : 1; /** 片选释放 */
};
裸机配置代码参考
1、spi设备初始化（w25q256）
void W25QXX_Init(void)
{
u8 temp;
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); //使能GPIOF时钟
//PF6
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_6; //PF6
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST; //快速
HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure); //初始化
W25QXX_CS=1; //SPI FLASH不选中
SPI5_Init(); //初始化SPI
SPI5_SetSpeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_2); //设置为45M时钟,高速模式
W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID(); //读取FLASH ID.
if(W25QXX_TYPE==W25Q256) //SPI FLASH为W25Q256
{
temp=W25QXX_ReadSR(3); //读取状态寄存器3，判断地址模式
if((temp&0X01)==0) //如果不是4字节地址模式,则进入4字节地址模式
{
W25QXX_CS=0; //选中
SPI5_ReadWriteByte(W25X_Enable4ByteAddr);//发送进入4字节地址模式指令
W25QXX_CS=1; //取消片选
}
}
}
//读取W25QXX的状态寄存器，W25QXX一共有3个状态寄存器
//状态寄存器1：
//BIT7 6 5 4 3 2 1 0
//SPR RV TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
//SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用
//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
//WEL:写使能锁定
//BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)
//默认:0x00
//状态寄存器2：
//BIT7 6 5 4 3 2 1 0
//SUS CMP LB3 LB2 LB1 (R) QE SRP1
//状态寄存器3：
//BIT7 6 5 4 3 2 1 0
//HOLD/RST DRV1 DRV0 (R) (R) WPS ADP ADS
//regno:状态寄存器号，范:1~3
//返回值:状态寄存器值
u8 W25QXX_ReadSR(u8 regno)
{
u8 byte=0,command=0;
switch(regno)
{
case 1:
command=W25X_ReadStatusReg1; //读状态寄存器1指令
break;
case 2:
command=W25X_ReadStatusReg2; //读状态寄存器2指令
break;
case 3:
command=W25X_ReadStatusReg3; //读状态寄存器3指令
break;
default:
command=W25X_ReadStatusReg1;
break;
}
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(command); //发送读取状态寄存器命令
byte=SPI5_ReadWriteByte(0Xff); //读取一个字节
W25QXX_CS=1; //取消片选
return byte;
}
//写W25QXX状态寄存器
void W25QXX_Write_SR(u8 regno,u8 sr)
{
u8 command=0;
switch(regno)
{
case 1:
command=W25X_WriteStatusReg1; //写状态寄存器1指令
break;
case 2:
command=W25X_WriteStatusReg2; //写状态寄存器2指令
break;
case 3:
command=W25X_WriteStatusReg3; //写状态寄存器3指令
break;
default:
command=W25X_WriteStatusReg1;
break;
}
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(command); //发送写取状态寄存器命令
SPI5_ReadWriteByte(sr); //写入一个字节
W25QXX_CS=1; //取消片选
}
//W25QXX写使能
//将WEL置位
void W25QXX_Write_Enable(void)
{
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_WriteEnable); //发送写使能
W25QXX_CS=1; //取消片选
}
//W25QXX写禁止
//将WEL清零
void W25QXX_Write_Disable(void)
{
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_WriteDisable); //发送写禁止指令
W25QXX_CS=1; //取消片选
}
//读取芯片ID
//返回值如下:
//0XEF13,表示芯片型号为W25Q80
//0XEF14,表示芯片型号为W25Q16
//0XEF15,表示芯片型号为W25Q32
//0XEF16,表示芯片型号为W25Q64
//0XEF17,表示芯片型号为W25Q128
//0XEF18,表示芯片型号为W25Q256
u16 W25QXX_ReadID(void)
{
u16 Temp = 0;
W25QXX_CS=0;
SPI5_ReadWriteByte(0x90);//发送读取ID命令
SPI5_ReadWriteByte(0x00);
SPI5_ReadWriteByte(0x00);
SPI5_ReadWriteByte(0x00);
Temp|=SPI5_ReadWriteByte(0xFF)<<8;
Temp|=SPI5_ReadWriteByte(0xFF);
W25QXX_CS=1;
return Temp;
}
//读取SPI FLASH
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)
{
u16 i;
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令
if(W25QXX_TYPE==W25Q256) //如果是W25Q256的话地址为4字节的，要发送最高8位
{
SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>24));
}
SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址
SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));
SPI5_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);
for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
{
pBuffer[i]=SPI5_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
}
W25QXX_CS=1;
}
//SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
//在指定地址开始写入最大256字节的数据
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!
void W25QXX_Write_Page(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u16 i;
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_PageProgram); //发送写页命令
if(W25QXX_TYPE==W25Q256) //如果是W25Q256的话地址为4字节的，要发送最高8位
{
SPI5_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>24));
}
SPI5_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址
SPI5_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>8));
SPI5_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);
for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)SPI5_ReadWriteByte(pBuffer[i]);//循环写数
W25QXX_CS=1; //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束
}
//无检验写SPI FLASH
//必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
//具有自动换页功能
//在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
//CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u16 pageremain;
pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数
if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节
while(1)
{
W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);
if(NumByteToWrite==pageremain)break;//写入结束了
else //NumByteToWrite>pageremain
{
pBuffer+=pageremain;
WriteAddr+=pageremain;
NumByteToWrite-=pageremain; //减去已经写入了的字节数
if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节
else pageremain=NumByteToWrite; //不够256个字节了
}
};
}
//写SPI FLASH
//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
u8 W25QXX_BUFFER[4096];
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u32 secpos;
u16 secoff;
u16 secremain;
u16 i;
u8 * W25QXX_BUF;
W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;
secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址
secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移
secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小
//printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节
while(1)
{
W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容
for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据
{
if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除
}
if(i<secremain)//需要擦除
{
W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区
for(i=0;i<secremain;i++) //复制
{
W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];
}
W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区
}else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间.
if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了
else//写入未结束
{
secpos++;//扇区地址增1
secoff=0;//偏移位置为0
pBuffer+=secremain; //指针偏移
WriteAddr+=secremain;//写地址偏移
NumByteToWrite-=secremain; //字节数递减
if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096; //下一个扇区还是写不完
else secremain=NumByteToWrite; //下一个扇区可以写完了
}
};
}
//擦除整个芯片
//等待时间超长...
void W25QXX_Erase_Chip(void)
{
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_Wait_Busy();
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_ChipErase); //发送片擦除命令
W25QXX_CS=1; //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待芯片擦除结束
}
//擦除一个扇区
//Dst_Addr:扇区地址 根据实际容量设置
//擦除一个扇区的最少时间:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)
{
//监视falsh擦除情况,测试用
//printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);
Dst_Addr*=4096;
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_Wait_Busy();
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_SectorErase); //发送扇区擦除指令
if(W25QXX_TYPE==W25Q256) //如果是W25Q256的话地址为4字节的，要发送最高8位
{
SPI5_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>24));
}
SPI5_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16)); //发送24bit地址
SPI5_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));
SPI5_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);
W25QXX_CS=1; //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待擦除完成
}
//等待空闲
void W25QXX_Wait_Busy(void)
{
while((W25QXX_ReadSR(1)&0x01)==0x01); // 等待BUSY位清空
}
//进入掉电模式
void W25QXX_PowerDown(void)
{
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_PowerDown); //发送掉电命令
W25QXX_CS=1; //取消片选
delay_us(3); //等待TPD
}
//唤醒
void W25QXX_WAKEUP(void)
{
W25QXX_CS=0; //使能器件
SPI5_ReadWriteByte(W25X_ReleasePowerDown); // send W25X_PowerDown command 0xAB
W25QXX_CS=1; //取消片选
delay_us(3); //等待TRES1
}
2、spi初始化以及时钟初始化速度设置
void SPI5_Init(void)
{
SPI5_Handler.Instance=SPI5; //SP5
SPI5_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER; //设置SPI工作模式，设置为主模式
SPI5_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线模式
SPI5_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
SPI5_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH; //串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI5_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
SPI5_Handler.Init.NSS=SPI_NSS_SOFT; //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
SPI5_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
SPI5_Handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
SPI5_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE; //关闭TI模式
SPI5_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验
SPI5_Handler.Init.CRCPolynomial=7; //CRC值计算的多项式
HAL_SPI_Init(&SPI5_Handler);//初始化
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI5_Handler); //使能SPI5
SPI5_ReadWriteByte(0Xff); //启动传输
}
//SPI5底层驱动，时钟使能，引脚配置
//此函数会被HAL_SPI_Init()调用
//hspi:SPI句柄
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); //使能GPIOF时钟
__HAL_RCC_SPI5_CLK_ENABLE(); //使能SPI5时钟
//PF7,8,9
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST; //快速
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF5_SPI5; //复用为SPI5
HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);
}
//SPI速度设置函数
//SPI速度=fAPB1/分频系数
//@ref SPI_BaudRate_Prescaler:SPI_BAUDRATEPRESCALER_2~SPI_BAUDRATEPRESCALER_2 256
//fAPB1时钟一般为45Mhz：
void SPI5_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));//判断有效性
__HAL_SPI_DISABLE(&SPI5_Handler); //关闭SPI
SPI5_Handler.Instance->CR1&=0XFFC7; //位3-5清零，用来设置波特率
SPI5_Handler.Instance->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;//设置SPI速度
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI5_Handler); //使能SPI
}
//SPI5 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI5_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
u8 Rxdata;
HAL_SPI_TransmitReceive(&SPI5_Handler,&TxData,&Rxdata,1, 1000);
return Rxdata; //返回收到的数据
}
实现完以上初始化就可以对spi设备进行操作了，如有不对的地方望点出及时改正。