M4 SPI通讯实验
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 Motorola首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。 SPI 接口主要应用在 EEPROM， FLASH，实时时钟， AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。 SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议， STM32F4 也有 SPI 接口。
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。
从图中可以看出， 主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
SPI 主要特点有： 可以同时发出和接收串行数据； 可以当作主机或从机工作； 提供频率可编程时钟； 发送结束中断标志； 写冲突保护； 总线竞争保护等。
SPI 总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（ CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（ CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。 SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
SPI工作原理总结
硬件上为4根线。
主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
SPI引脚配置（3个SPI)
哪些引脚可以复用为SPIx的相应功能引脚，需要查数据手册。
常用寄存器
SPI控制寄存器1（SPI_CR1) SPI控制寄存器2（SPI_CR2) SPI状态寄存器（SPI_SR) SPI数据寄存器（SPI_DR) SPI_I2S配置寄存器（SPI_I2S_CFGR) SPI_I2S预分频寄存器（SPI_I2SPR)
SPI相关库函数：
stm32f4xx_spi.c/stm32f4xx_spi.h
void SPI_I2S_DeInit(SPI_TypeDef* SPIx);
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);
void SPI_DataSizeConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_DataSize);
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
程序配置过程：
①使能SPIx和IO口时钟
RCC_AHBxPeriphClockCmd() / RCC_APBxPeriphClockCmd();
②初始化IO口为复用功能
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
③设置引脚复用映射：
GPIO_PinAFConfig();
②初始化SPIx,设置SPIx工作模式
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
③使能SPIx
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
④SPI传输数据
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ;
⑤查看SPI传输状态
SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);
硬件连接
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0
2） KEY_UP 和 KEY1 按键
3） TFTLCD 模块
4） SPI
5） W25Q128
这里只介绍 W25Q128 与 STM32F4 的连接，板上的 W25Q128 是直接连在 STM32F4 的 SPI1
上的，连接关系如图
这里，我们的 F_CS 是连接在 PB14 上面的，另外要特别注意： W25Q128 和 NRF24L01 共用 SPI1，所以这两个器件在使用的时候，必须分时复用（通过片选控制）才行。
软件设计
我们加入了 spi.c,flash.c 文件以及头文件 spi.h 和flash.h，同时引入了库函数文件 stm32f4xx_spi.c 文件以及头文件 stm32f4xx_spi.h。
打开 spi.c 文件，看到如下代码：
//以下是 SPI 模块的初始化代码，配置成主机模式
//SPI 口初始化
//这里针是对 SPI1 的初始化
void SPI1_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能 GPIOB 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);// 使能 SPI1 时钟
//GPIOFB3,4,5 初始化设置: 复用功能输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;//PB3~5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// 初始化
//配置引脚复用映射
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_SPI1); //PB3 复用为 SPI1
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_SPI1); //PB4 复用为 SPI1
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1); //PB5 复用为 SPI1
//这里只针对 SPI 口初始化
RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//复位 SPI1
RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,DISABLE);//停止复位 SPI1
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //设置 SPI 全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置 SPI 工作模式:主 SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置 SPI 的数据大小: 8 位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //数据捕获于第二个时钟沿
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS 信号由硬件管理
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //预分频 256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //数据传输从 MSB 位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC 值计算的多项式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 SPIx 寄存器
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能 SPI1
SPI1_ReadWriteByte(0xff);//启动传输
}
//SPI1 速度设置函数
//SPI 速度=fAPB2/分频系数
//入口参数范围： @ref SPI_BaudRate_Prescaler
//SPI_BaudRatePrescaler_2~SPI_BaudRatePrescaler_256
//fAPB2 时钟一般为 84Mhz：
void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));//判断有效性
SPI1->CR1&=0XFFC7;//位 3-5 清零，用来设置波特率
SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置 SPI1 速度
SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //使能 SPI1
}
//SPI1 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){}//等待发送区空
SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设 SPIx 发送一个 byte 数据
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){} //等待接收完
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过 SPIx 最近接收的数据
}
此部分代码主要初始化 SPI，这里我们选择的是 SPI1，所以在 SPI1_Init 函数里面，其相关的操作都是针对 SPI1 的，其初始化步骤和我们上面介绍的一样。在初始化之后，我们就可以开始使用 SPI1 了， 这里特别注意， SPI 初始化函数的最后有一个启动传输，这句话最大的作用就是维持 MOSI 为高电平，而且这句话也不是必须的，可以去掉。
在 SPI1_Init 函数里面，把 SPI1 的频率设置成了最低（ 84Mhz， 256 分频）。在外部函数里面，我们通过 SPI1_SetSpeed 来设置 SPI1 的速度，而我们的数据发送和接收则是通过SPI1_ReadWriteByte 函数来实现的。
接下来我们来看看 w25qxx.c 文件内容。 由于篇幅所限，详细代码，这里就不贴出了。我们
仅介绍几个重要的函数，首先是 W25QXX_Read 函数，该函数用于从 W25Q128 的指定地址读
出指定长度的数据。其代码如下：
//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
SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令
SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送 24bit 地址
SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));
SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);
for(i=0;i
pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
}
W25QXX_CS=1;
}
由于 W25Q128 支持以任意地址（但是不能超过 W25Q128 的地址范围）开始读取数据，所
以，这个代码相对来说就比较简单了，在发送 24 位地址之后，程序就可以开始循环读数据了，
其地址会自动增加的，不过要注意，不能读的数据超过了 W25Q128 的地址范围哦！否则读出
来的数据，就不是你想要的数据了。
有读的函数，当然就有写的函数了，接下来，我们介绍 W25QXX_Write 这个函数，该函数
的作用与 W25QXX_Flash_Read的作用类似，不过是用来写数据到 W25Q128里面的，代码如下：
//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
if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除
}
if(i
W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区
for(i=0;i
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);//已擦除的,直接写
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
}
};
}
该函数可以在 W25Q128 的任意地址开始写入任意长度（必须不超过 W25Q128 的容量）的
数据。我们这里简单介绍一下思路：先获得首地址（ WriteAddr）所在的扇区，并计算在扇区内
的偏移，然后判断要写入的数据长度是否超过本扇区所剩下的长度，如果不超过，再先看看是
否要擦除，如果不要，则直接写入数据即可，如果要则读出整个扇区，在偏移处开始写入指定
长度的数据，然后擦除这个扇区，再一次性写入。当所需要写入的数据长度超过一个扇区的长
度的时候，我们先按照前面的步骤把扇区剩余部分写完，再在新扇区内执行同样的操作，如此
循环，直到写入结束。 这里我们还定义了一个 W25QXX_BUFFER 的全局变量，用于擦除时缓
存扇区内的数据。
其他的代码就比较简单了，我们这里不介绍了。 对于头文件 w25qxx.h，这里面就定义了一
些与 W25Q128 操作相关的命令和函数（部分省略了），这些命令在 W25Q128 的数据手册上都
有详细的介绍，感兴趣的读者可以参考该数据手册。
最后，我们看看 main 函数，代码如下：
//要写入到 W25Q128 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={" STM32F4 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
u8 key, datatemp[SIZE];
u16 i=0;
u32 FLASH_SIZE;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组 2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为 115200
LED_Init(); //初始化 LED
LCD_Init(); //LCD 初始化
KEY_Init(); //按键初始化
W25QXX_Init(); //W25QXX 初始化
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"STM32F4");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"SPI TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ALIX");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2018/8/7");
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write KEY0:Read"); //显示提示信息
while(W25QXX_ReadID()!=W25Q128) //检测不到 W25Q128
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q128 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0=!LED0; //DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q128 Ready!");
FLASH_SIZE=128*1024*1024; //FLASH 大小为 2M 字节
POINT_COLOR=BLUE; //设置字体为蓝色
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY1_PRES)//KEY1 按下,写入 W25Q128
{
LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write W25Q128....");
W25QXX_Write((u8*)TEXT_Buffer,FLASH_SIZE-100,SIZE);
//从倒数第 100 个地址处开始,写入 SIZE 长度的数据
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"W25Q128 Write Finished!");//提示完成
}
if(key==KEY0_PRES)//KEY0 按下,读取字符串并显示
{
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read W25Q128.... ");
W25QXX_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);
//从倒数第 100 个地址处开始,读出 SIZE 个字节
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp); //显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20)
{
LED0=!LED0;//提示系统正在运行
i=0;
}
}
}
这部分代码和 IIC 实验那部分代码大同小异，我们就不多说了，实现的功能就和 IIC 差不多，不过此次写入和读出的是 SPI FLASH，而不是 EEPROM。
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