STM32——SPI通信协议（W25Q128FLASH的通信）

目录

SPI协议

SPI物理层

SPI协议层

CPOL/CPHA 及通讯模式 

STM32的SPI外设

W25Q128 FLASH芯片介绍

附录

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• SPI协议

串行外设接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种用于短程通信的同步串行通信接口规范，主要应用于单片机系统中。类似I2C。 这种接口首先被Motorola（摩托罗拉）公司开发，然后发展成了一种行业规范。典型应用包含SD卡和液晶显示器。 SPI设备之间使用全双工模式通信，包含一个主机和一个或多个从机。主机产生待读或待写的帧数据，多个从机通过一个片选线路 决定哪个来响应主机的请求。

• SPI物理层

SPI 通讯设备之间的常用连接方式 

• SS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS。当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO同时并联到相同的 SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。所以SPI没有寻址。
• SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为f pclk /2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
• MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
• MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

• SPI协议层

SPI通信时序 

• 通讯的起始信号：NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。
• 通讯的停止信号：NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。
• 数据有效性：SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 MISO 数据线在SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或 LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般采用MSB先行的方式。

• CPOL/CPHA 及通讯模式 

SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。

• 时钟极性 CPOL是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。
• 时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。

• STM32的SPI外设

• MISO：主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
• MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
• SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入。
• NSS：从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选引脚”，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。从设备的NSS引脚可以由主设备的一个标准I/O引脚来驱动。

通信过程： 

• 控制 NSS 信号线，产生起始信号(图中没有画出)；
• 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；
• 通讯开始，SCK 时钟开始运行。MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
• 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
• 等待到“TXE 标志位”为 1 时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1 时，通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。
• 假如我们使能了 TXE 或 RXNE 中断，TXE 或 RXNE 置 1 时会产生 SPI 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 SPI 中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用 DMA方式来收发“数据寄存器 DR”中的数据。

• W25Q128 FLASH芯片介绍

W25Q128是一款SPI通信的FLASH芯片，其FLASH的大小为16M，分为 256 个块（Block），每个块大小为 64K 字节，每个块又分为 16个扇区（Sector），每个扇区 4K 个字节。通过SPI通信协议即可实现MCU(STM32)和 W25Q128 之间的通信。实现W25Q128的控制需要通过SPI协议发送相应的控制指令，并满足一定的时序。

部分常用指令介绍

1. 写使能(Write Enable) (06h)

        

        向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

     2.扇区擦除指令(Sector Erase) (20h)

        

       该命令首先写入命令0x20，然后写入24为地址数据，高位先行。

     3.读命令(Read Data)  (03h)

        

       该命令首先写入命令0x03，然后写入24为地址数据，高位先行。接着会返回相应地址及以后的的数据。

     4. 状态读取命令(Read Status Register)  (05h)

        

       写入命令0x05，即可读取状态寄存器的值。

    5. 写入命令(Page Program)  (02h)

        

       该命令首先写入命令0x02，然后写入24为地址数据，高位先行。接着依次写入要写入的数据。

• 附录

操作时的注意事项： 

1. 在对W25Q128 FLASH的写入数据的操作中一定要先擦出扇区，在进行写入，否则将会发生数据错误。
2. W25Q128 FLASH一次性最大写入只有256个字节。
3. 在进行写操作之前，一定要开启写使能(Write Enable)。
4. 当只接收数据时不但能只检测RXNE状态 ，必须同时向发送缓冲区发送数据才能驱动SCK时钟跳变。

相关代码：

STM32硬件SPI：https://github.com/kks1234/STM32/tree/master/14.SPI%E9%80%9A%E4%BF%A1%E2%80%94%E2%80%94FLASH/%E7%A1%AC%E4%BB%B6SPI

代码结果：