STM32的SPI的原理与使用(W25Q128附代码)

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目录

一、SPI介绍

二、SPI接口框图

三、SPI优缺点

四、SPI工作原理总结

五、时序图

六、SPI程序编写过程

七、W25Q12xx的原理及应用

7.1 分析W25Q128指令

7.2 擦除扇区：

7.3 部分常用设备读取指令：

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一、SPI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Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。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，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。

正是简单易用的特性，如NRF24L01、VS1053、SD卡等皆集成了这种通信协议

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二、SPI接口框图

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三、SPI优缺点

SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，低位在前，高位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。

信号线少，协议简单，相对数据速率高。

缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据

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四、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。

多个设备使用SPI的应用举例

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五、时序图

时序为 SPI_CR1 寄存器中的 LSBFIRST 位复位时的时序

SPI_CPHA的值将会影响SPI_CPOL的值

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六、SPI程序编写过程

//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) ;

//⑦查看SPI传输状态
SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);

SPI.c:
#include "spi.h"

//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
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;//PB3~5复用功能输出	
  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
	
	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单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;		//设置SPI工作模式:设置为主SPI
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//设置SPI的数据大小:SPI发送接收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;	//串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
	SPI_InitStructure.SPI_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
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;		//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
	SPI_InitStructure.SPI_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
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;	//CRC值计算的多项式
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设

	SPI1_ReadWriteByte(0xff);//启动传输		 
}   
//SPI1速度设置函数
//SPI速度=fAPB2/分频系数
//@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){} //等待接收完一个byte  
 
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过SPIx最近接收的数据	
 		    
}

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七、W25Q12xx的原理及应用

W25Q128将16M的容量分为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。W25Q128的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除4K个字节。这样我们需要给W25Q128开辟一个至少4K的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上SRAM才能很好的操作。

W25Q128的擦写周期多达10W次，具有20年的数据保存期限，支持电压为2.7~3.6V,W25Q128支持标准的SPI,还支持双输出/四输出的SPI,最大SPI时钟可以到80Mhz(双输出时相当于160Mhz,四输出时相当于320M),更多的W25Q128的介绍，请参考W25Q128的DATASHEET。

W25Q12xx可根据原理图查看，使用的是SPI总线通信协议

比如原子的原理图

7.1 分析W25Q128指令

可参考W25Qxx的数据手册，这里列出W25Q128部分指令：

比如读取设备的ID的指令：0x90000000

7.2 擦除扇区：

7.3 部分常用设备读取指令：

0x90FFFFFF	读取厂商ID
0x20xxxxxx	擦除扇区地址
0x05FFFFFF	读取flash状态
0x02|addr|data	写入数据
0x03	读取数据

每次操作前要使能写操作，且给一个低电平。结束时要给其为高电平，再失能写操作。也就是通过操作片选引脚来确定是否使能或失能。

W25Q12xx.c:
#include "w25qxx.h" 
#include "spi.h"
#include "delay.h"	   
#include "usart.h"	

u16 W25QXX_TYPE=W25Q128;	//默认是W25Q128

//4Kbytes为一个Sector
//16个扇区为1个Block
//W25Q128
//容量为16M字节,共有128个Block,4096个Sector 
													 
//初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Init(void)
{ 
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
 
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能GPIOG时钟

	  //GPIOB14
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;//PB14
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出
  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

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;//PG7
  GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化
 
	GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);//PG7输出1,防止NRF干扰SPI FLASH的通信 
	W25QXX_CS=1;			//SPI FLASH不选中
	SPI1_Init();		   			//初始化SPI
	SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2);		//设置为42M时钟,高速模式 
	W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();	//读取FLASH ID.
}  

//读取W25QXX的状态寄存器
//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
u8 W25QXX_ReadSR(void)   
{  
	u8 byte=0;   
	W25QXX_CS=0;                            //使能器件   
	SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadStatusReg);    //发送读取状态寄存器命令    
	byte=SPI1_ReadWriteByte(0Xff);             //读取一个字节  
	W25QXX_CS=1;                            //取消片选     
	return byte;   
} 
//写W25QXX状态寄存器
//只有SPR,TB,BP2,BP1,BP0(bit 7,5,4,3,2)可以写!!!
void W25QXX_Write_SR(u8 sr)   
{   
	W25QXX_CS=0;                            //使能器件   
	SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteStatusReg);   //发送写取状态寄存器命令    
	SPI1_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   
    SPI1_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   
    SPI1_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 	  
u16 W25QXX_ReadID(void)
{
	u16 Temp = 0;	  
	W25QXX_CS=0;				    
	SPI1_ReadWriteByte(0x90);//发送读取ID命令	    
	SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	    
	SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	    
	SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	 			   
	Temp|=SPI1_ReadWriteByte(0xFF)<<8;  
	Temp|=SPI1_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   
    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>16)); //发送24bit地址    
    SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>8));   
    SPI1_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);   
    for(i=0;ipageremain
		{
			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;i4096)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   
    SPI1_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
//擦除一个山区的最少时间: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   
    SPI1_ReadWriteByte(W25X_SectorErase);      //发送扇区擦除指令 
    SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16));  //发送24bit地址    
    SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));   
    SPI1_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()&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   
    SPI1_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   
    SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReleasePowerDown);   //  send W25X_PowerDown command 0xAB    
	W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      
    delay_us(3);                               //等待TRES1
}   

W25Q12xx.h：

#ifndef __W25QXX_H
#define __W25QXX_H			    
#include "sys.h"  

//W25X系列/Q系列芯片列表	   
//W25Q80  ID  0XEF13
//W25Q16  ID  0XEF14
//W25Q32  ID  0XEF15
//W25Q64  ID  0XEF16	
//W25Q128 ID  0XEF17	
#define W25Q80 	0XEF13 	
#define W25Q16 	0XEF14
#define W25Q32 	0XEF15
#define W25Q64 	0XEF16
#define W25Q128	0XEF17

extern u16 W25QXX_TYPE;					//定义W25QXX芯片型号		   

#define	W25QXX_CS 		PBout(14)  		//W25QXX的片选信号
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 
//指令表
#define W25X_WriteEnable		0x06 
#define W25X_WriteDisable		0x04 
#define W25X_ReadStatusReg		0x05 
#define W25X_WriteStatusReg		0x01 
#define W25X_ReadData			0x03 
#define W25X_FastReadData		0x0B 
#define W25X_FastReadDual		0x3B 
#define W25X_PageProgram		0x02 
#define W25X_BlockErase			0xD8 
#define W25X_SectorErase		0x20 
#define W25X_ChipErase			0xC7 
#define W25X_PowerDown			0xB9 
#define W25X_ReleasePowerDown	0xAB 
#define W25X_DeviceID			0xAB 
#define W25X_ManufactDeviceID	0x90 
#define W25X_JedecDeviceID		0x9F 

void W25QXX_Init(void);
u16  W25QXX_ReadID(void);  	    		//读取FLASH ID
u8	 W25QXX_ReadSR(void);        		//读取状态寄存器 
void W25QXX_Write_SR(u8 sr);  			//写状态寄存器
void W25QXX_Write_Enable(void);  		//写使能 
void W25QXX_Write_Disable(void);		//写保护
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead);   //读取flash
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);//写入flash
void W25QXX_Erase_Chip(void);    	  	//整片擦除
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr);	//扇区擦除
void W25QXX_Wait_Busy(void);           	//等待空闲
void W25QXX_PowerDown(void);        	//进入掉电模式
void W25QXX_WAKEUP(void);				//唤醒

#endif

main.c:

main.c:
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "spi.h"
#include "w25qxx.h"
#include "key.h"    

//要写入到W25Q16的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"Explorer STM32F4 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)	 
	
int main(void)
{ 
	u8 key;
	u16 i=0;
	u8 datatemp[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 
	KEY_Init(); 				//按键初始化  
	W25QXX_Init();			//W25QXX初始化 
 			
 	while(W25QXX_ReadID()!=W25Q128)	//检测不到W25Q128
	{
		printf("W25Q128 Check Failed!");
		delay_ms(500);
		printf("Please Check!      ");
		delay_ms(500);
		LED0=!LED0;		//DS0闪烁
	}
	
	while(1)
	{
		key=KEY_Scan(0);
		if(key==KEY1_PRES)//KEY1按下,写入24C02
		{
			printf("Start Write W25Q128...."); 
                        //从倒数第100个地址处开始,写入SIZE长度的数据  
			W25QXX_Write((u8*)TEXT_Buffer,FLASH_SIZE-100,SIZE);
			printf("W25Q128 Write Finished!");  //提示传送完成
		}
		if(key==KEY0_PRES)//KEY0按下,读取字符串并显示
		{
                        printf("Start Read W25Q128.... ");
                        //从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节
			W25QXX_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);					
			printf("The Data Readed Is: \r\n ");//提示传送完成
			printf("%s\r\n ",datatemp);
		}	   
	} 	    
}