嵌入式硬件入门——Flash Memory（W25Q64+SPI协议）
Flash存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还可以快速读取数据（NVRAM的优势），使数据不会因为断电而丢失。
文章目录
- Flash
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- Flash简介
- Flash发展历史
- Flash用途与分类
- W25Q64
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- W25Q64简介
- W25Q64管脚定义及说明
- SPI协议（针对W25Q64）
-
- SPI协议概念
- SPI协议概括
- SPI协议4种传输模式
- SPI协议读写数据
- 对W25Q64进行读写操作
-
- 指令表
- 状态寄存器
- 读状态寄存器
- 写状态寄存器
- 读数据
- 页写
- 扇区擦除
- 全片擦除
- 读取制造商/芯片 ID
- 51单片机控制W25Q64（AT25F1024）
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- SPI协议代码
- Proteus小实验
Flash
Flash简介
FLASH闪存是属于内存器件的一种，“Flash”。闪存则是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
闪存是一种特殊的、以宏块抹写的EPROM。早期的闪存进行一次抹除，就会清除掉整颗芯片上的数据。
各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存。而闪存是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。因为闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。——百度百科
Flash发展历史
在1984年，东芝公司的发明人舛冈富士雄首先提出了快速闪存存储器（此处简称闪存）的概念。与传统电脑内存不同，闪存的特点是非易失性（也就是所存储的数据在主机掉电后不会丢失），其记录速度也非常快。
Intel是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1988年，公司推出了一款256K bit闪存芯片。它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。後来，Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。它结合EPROM（可擦除可编程只读存储器）和EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）两项技术，并拥有一个SRAM接口。
第二种闪存称为NAND闪存。它由日立公司于1989年研制，并被认为是NOR闪存的理想替代者。NAND闪存的写周期比NOR闪存短90%，它的保存与删除处理的速度也相对较快。NAND的存储单元只有NOR的一半，在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。鉴于NAND出色的表现，它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存储卡上。——百度百科
Flash用途与分类
1、IIC EEPROM------容量小，采用的是IIC通信协议；用于在掉电时，存系统配置参数，比如屏幕亮度等。常用芯片型号有 AT24C02、FM24C02、CAT24C02等，其常见的封装多为DIP8，SOP8，TSSOP8等；
2、SPI NorFlash------容量略大，采用的是SPI 通信协议；用于存放程序和数据。程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以Sector为单位或对整片执行擦除操作。常见到的S25FL128、MX25L1605、W25Q64等型号都是SPI NorFlash。
3、SPI NandFlash------采用了SPI NorFlash一样的SPI的通信协议，用于存储数据；在读写的速度上没什么区别，但在存储结构上却采用了与Parallel NandFlash相同的结构，所以SPI nand相对于SPI norFlash具有擦写的次数多，擦写速度快的优势。
4、eMMC Flash------eMMC采用统一的MMC标准接口，eMMC相当于NandFlash+主控IC；自身集成MMC Controller，存储单元与NandFlash相同。常见到的KLMAG8DEDD、THGBMAG8B4JBAIM、EMMC04G-S100等型号都是eMMC Flash。
5、SD卡------它在MMC的基础上发展而来，有两个可选的通信协议：SD模式和SPI模式。——https://www.cnblogs.com/leo0621/p/8204852.html
NOR和NAND是市场上两种主要的非易失闪存技术，当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素：
- NOR的读速度比NAND稍快一些。
- NAND的写入速度比NOR快很多。
- NAND的4ms擦除速度远比NOR的5ms快。
- 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
- NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。
W25Q64
W25Q64简介
本文将以W25Q64为例，介绍Flash的基本知识和使用方法。
W25Q64是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，其容量为64Mb（8M Bytes）。该25Q系列的器件在灵活性和性能方面远远超过普通的串行闪存器件。W25Q64将8M字节的容量分为128个块，每个块大小为64K字节，每个块又分为16个扇区，每个扇区4K个字节。W25Q64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。所以，这需要给W25Q64开辟一个至少4K的缓存区，这样必须要求芯片有4K以上的SRAM才能有很好的操作。
W25Q64的擦写周期多达10W次，可将数据保存达20年之久，支持2.7~3.6V的电压，支持标准的SPI，还支持双输出/四输出的SPI，最大SPI时钟可达80Mhz。——https://www.cnblogs.com/gongchuangsu/p/4850223.html
W25Q64管脚定义及说明
管脚定义
管脚功能对照表
功能说明
注：本文不研究双倍和四倍SPI
片选端（/CS）
SPI 片选（/CS）引脚使能和禁止芯片操作。当CS̅̅̅为高电平时，芯片未被选择，串行数据输出（DO、IO0、IO1、IO2 和 IO3）引脚为高阻态。未被选择时，芯片处于待机状态下的低功耗，除非芯片内部在擦除、编程。当/CS 变成低电平，芯片功耗将增长到正常工作，能够从芯片读写数据。上电后，在接收新的指令前，/CS 必须由高变为低电平。上电后，/CS 必须上升到 VCC，在/CS 接上拉电阻可以完成这个。
串行数据输入、输出和 IOs（DI、DO 和 IO0、IO1、IO2、IO3）
W25Q64、W25Q16 和 W25Q32 支持标准 SPI、双倍 SPI 和四倍 SPI。标准的 SPI 传输用单向的 DI（输入）引脚连续的写命令、地址或者数据在串行时钟（CLK）的上升沿时写入到芯片内。标准的SPI 用单向的 DO（输出）在 CLK 的下降沿从芯片内读出数据或状态。
双倍和四倍 SPI 指令用双向的 IO 引脚在 CLK 的上升沿来连续的写指令、地址或者数据到芯片内，在 CLK 的下降沿从芯片内读出数据或者状态。四倍 SPI 指令操作时要求在状态寄存器 2 中的四倍使能位（QE）一直是置位状态。当 QE=1 时/WP 引脚变为 IO2，/HOLD 引脚变为 IO3。
写保护（/WP）
写保护引脚（/WP）用来保护状态寄存器。和状态寄存器的块保护位（SEC、TB、BP2、BP1 和BP0）和状态寄存器保护位（SRP）对存储器进行一部分或者全部的硬件保护。/WP 引脚低电平有效。当状态寄存器 2 的 QE 位被置位了，/WP 引脚（硬件写保护）的功能不可用，被用作了 IO2。
保持端（/HOLD）
当/HOLD 引脚是有效时，允许芯片暂停工作。在/CS 为低电平时，当/HOLD 变为低电平，DO 引脚将变为高阻态，在 DI 和 CLK 引脚上的信号将无效。当/HOLD 变为高电平，芯片恢复工作。/HOLD功能用在当有多个设备共享同一 SPI 总线。/HOLD 引脚低电平有效。当状态寄存器 2 的 QE 位被置位了，/ HOLD 引脚的功能不可用，被用作了 IO3。
串行时钟（CLK）
串行时钟输入引脚为串行输入和输出操作提供时序。（见 SPI 操作）,设备数据传输是从高位开 始，数据传输的格式为 8bit,数据采样从第二个时间边沿开始，空闲状态时，时钟线 clk 为高电平。
——W25Q64中文手册
SPI协议（针对W25Q64）
SPI协议概念
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，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，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI协议概括
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。
（1）MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
（2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
（3）SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
（4）CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。
其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。
时钟信号线SCLK只能由主设备控制，从设备不能控制。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主设备。这样的传输方式有一个优点，在数据位的传输过程中可以暂停，也就是时钟的周期可以为不等宽，因为时钟线由主设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。芯片集成的SPI串行同步时钟极性和相位可以通过寄存器配置，IO模拟的SPI串行同步时钟需要根据从设备支持的时钟极性和相位来通讯。
最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。——百度百科
SPI协议4种传输模式
SPI总线传输一共有4种模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。
- 模式0：
CPOL= 0，CPHA=0SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的前边沿（上升沿）被采样，在SCK时钟的后边沿（下降沿）切换电平状态； - 模式1：
CPOL= 0，CPHA=1SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的后边沿（下降沿）被采样，在SCK时钟的前边沿（上升沿）切换电平状态； - 模式2：
CPOL= 1，CPHA=0SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的前边沿（下降沿）被采样，在SCK时钟的后边沿（上升沿）切换电平状态； - 模式3：
CPOL= 1，CPHA=1SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的后边沿（上升沿）被采样，在SCK时钟的前边沿（下降沿）切换电平状态。
SPI协议读写数据
根据前面SPI模式的内容，可以看出上图为模式1（CPOL=0, CPHA=1）
标号 1 处，NSS（CS）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，当从机检在自己的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。
在图中的标号 6 处，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。
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。——野火电子PPT
对W25Q64进行读写操作
支持 SPI 总线的工作模式 0（0，0）和 3（1，1）。模式 0 和模式 3 的主要区别在于常态时的 CLK信号，当 SPI 主机已准备好数据还没传输到串行 Flash 中，对于模式 0 CLK 信号常态为低。
设备数据传输是从高位开始，数据传输的格式为8bit，数据采样从第二个时间边沿开始，空闲状态时，时钟线 CLK 为高电平。——W25Q64中文手册
指令表
指令表1：
状态寄存器
忙是只读的状态寄存器(S0)被设置为1状态时,表示设备正在执行程序(可能是在擦除芯片)或写状态寄存器指令。这个时候设备将忽略传来的指令， 除了读状态寄存器和擦除暂停指令，写指令或写状态指令无效，当 S0 为 0 状态时，指示设备已经执行完毕，可以进行下一步操作。
——W25Q64中文手册
读状态寄存器
读状态寄存器 1（05h）和 状态寄存器 2（35h）
读取状态寄存器的指令是 8 位的指令。发送指令之前，先将/CS 拉低，再发送指令码“05h”或者“35h”。设备收到读取状态寄存器的指令后，将状态信息(高位)依次移位发送出去，如上图所示。
读出的状态信息，最低位为 1 代表忙，最低位为 0 代表可以操作，状态信息读取完毕，将片选线拉高。
读状态寄存器指令可以使用在任何时候，即使程序在擦除的过程中或者写状态寄存器周期正在进行中。这可以检测忙碌状态来确定周期是否完成，以确定设备是否可以接受另一个指令。——W25Q64中文手册
写状态寄存器
读数据
读取数据指令允许按顺序读取一个字节的内存数据。当片选 CS/拉低之后，紧随其后是一个 24 位的地址（A23-A0）（需要发送 3 次，每次 8 个字节，先发高位）。芯片收到地址后，将要读的数据按字节大小转移出去，数据是先转移高位，对于单片机，时钟下降沿发送数据，上升沿接收数据。读数据时，地址会自动增加，允许连续的读取数据。这意味着读取整个内存的数据,只要用一个指令就可以读完。数据读取完成之后，片选信号/ CS 拉高。
读取数据的指令序列,如上图所示。如果一个读数据指令而发出的时候，设备正在擦除扇区，或者（BUSY = 1），该读指令将被忽略，也不会对当前周期有什么影响。——W25Q64中文手册
页写
页编程指令允许从一个字节到 256 字节的数据编程（一页）（编程之前必须保证内存空间是 0XFF）。允许写入指令之前,必须先发送设备写使能指令。写使能开启后，设备才能接收编程指令。开启页编程先拉底/ CS，然后发送指令代码“02h”，接着发送一个 24 位地址（A23-A0）（发送 3 次，每次 8 位) 和至少一个数据字节（数据字节不能超过 256字节）。数据字节发送完毕，需要拉高片选线 /CS，并判断状态位，等待写入结束。
进行页编程时，如果数据字节数超过了 256 字节，地址将自动回到页的起始地址，覆盖掉之前的数据。在某些情况下，数据字节小于 256 字节（同一页内），也可以正常对其他字节存放，不会有任何影响。如果存放超过 256 字节的数据，需要分次编程存放。——W25Q64中文手册
扇区擦除
扇区擦除指令可以擦除指定一个扇区（4 k 字节）内所有数据，将内存空间恢复到 0xFF 状态。写入扇区擦除指令之前必须执行设备写使能（发送设备写使能指令 0x06），并判断状态寄存器（状态寄存器位最低位必须等于 0 才能操作）。发送的扇区擦除指令前，先拉低/ CS，接着发送扇区擦除指令码”20h”，和 24 位地址（A23-A0），地址发送完毕后，拉高片选线 /CS，并判断状态位，等待擦除结束。擦除一个扇区的最少需要 150ms 时间。
——W25Q64中文手册
全片擦除
全芯片擦除指令，可以将整个芯片的所有内存数据擦除，恢复到 0XFF 状态。写入全芯片擦除指令之前必须执行设备写使能（发送设备写使能指令 0x06），并判断状态寄存器（状态寄存器位最低位必须等于 0 才能操作）。发送全芯片擦除指令前，先拉低/ CS，接着发送擦除指令码”C7h”或者是”60h”， 指令码发送完毕后，拉高片选线 /CS，并判断状态位，等待擦除结束。全片擦除指令尽量少用，擦除会缩短设备的寿命。
——W25Q64中文手册
读取制造商/芯片 ID
读取制造商/设备 ID 指令可以读取制造商 ID 和特定的设备 ID。读取之间，拉低 CS 片选信号，接着发送指令代码“90h” ，紧随其后的是一个 24 位地址（A23-A0）000000h。 之后，设备发出，华邦电子制造商 ID（EFh）和设备ID（w25q64 为 16h）。如果 24 位地址设置为 000001h 的设备 ID 会先发出,然后跟着制造商 ID。制造商和设备 ID 可以连续读取。完成指令后，片选信号/CS 拉高。
——W25Q64中文手册
51单片机控制W25Q64（AT25F1024）
SPI协议代码
以下代码仅供参考，属于我练手的代码，并不能保证没有Bug
大部分51单片机没有自带的SPI接口，所以这里使用纯软件代码实现SPI协议。
51单片机型号——AT89C52RC
由于我没有现成的W25Q64芯片，所以只能用Proteus进行仿真，但是Proteus里只有AT25FX型号的SPI Flash，好在它们的读写操作指令基本相同，只有部分功能（读ID、擦写等）存在差异。
SPI读写字节
关键函数，同时进行SPI的写和读，采用SPI模式3（CPOL=1，CPHA=1）。
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Spi_Write_Read_One_Byte
* @ 功 能 ： SPI读写一个字节
* @ 参 数 ： tx_data 要写入的字节
* @ 返回值 ： 读出的字节
* @ 备 注 ： 核心函数
******************************************************************************/
static unsigned char Spi_Write_Read_One_Byte(unsigned char tx_data)
{
unsigned char i = 0;
unsigned char rx_data = 0;
for(i = 0; i < 8; i++)
{
SCK = 0; // 时钟电平转换
if(tx_data & 0x80)
SO = 1; // 输出高电平
else
SO = 0;
rx_data <<= 1;
SCK = 1; // 时钟电平转换
if(SI)
rx_data++; // 最低位设为1
tx_data <<= 1;
}
return rx_data; // 返回读到字节
}
写使能
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Spi_Write_Enable
* @ 功 能 ： 写使能
* @ 参 数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
******************************************************************************/
static void Spi_Write_Enable(void)
{
CS = 0; //选中芯片
Spi_Write_Read_One_Byte(WRITE_ENABLE); //写使能
CS = 1; //释放芯片
}
等待Flash写入或擦除完成
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Flash_Wait_For_Written
* @ 功 能 ： 等待FLASH写完
* @ 参 数 ： 无
* @ 返回值 ： 无
******************************************************************************/
static void Flash_Wait_For_Written(void)
{
unsigned char rx_data = 0;
CS = 0; //选中芯片
Spi_Write_Read_One_Byte(READ_STATUS_REG); //读取状态寄存器
do
{
rx_data = Spi_Write_Read_One_Byte(0);
}while((rx_data & 0x01) == 1);
CS = 1; //释放芯片
}
Flash读数据
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Flash_Read_Data
* @ 功 能 ： 读取存储器数据
* @ 参 数 ：
buff 读出的数据
addr 开始读取的地址
len 要读取的长度
* @ 返回值 ： 无
******************************************************************************/
void Flash_Read_Data(unsigned char *buff, unsigned long addr, unsigned int len)
{
CS = 0; //选中芯片
Spi_Write_Read_One_Byte(READ_DATA); //发送读取命令
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 16) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 8) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte(addr & 0xff);
while(len--)
{
*buff++ = Spi_Write_Read_One_Byte(0);
}
CS = 1; //释放芯片
}
Flash页写
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Flash_Write_Data
* @ 功 能 ： 向存储器写入数据（最大写一页）
* @ 参 数 ：
buff 读出的数据
addr 开始读取的地址
len 要读取的长度
* @ 返回值 ： 无
******************************************************************************/
void Flash_Write_Data(unsigned char *buff, unsigned long addr, unsigned int len)
{
Spi_Write_Enable(); //写使能
CS = 0; //选中芯片
Spi_Write_Read_One_Byte(WRITE_DATA); //发送页写命令
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 16) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 8) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte(addr & 0xff);
while(len--)
{
Spi_Write_Read_One_Byte(*buff++);
}
CS = 1; //释放芯片
Flash_Wait_For_Written(); //等待写完成
}
扇区擦除
只有Flash存储空间数据为0xFF时才能修改Flash的数据，所以每次写入前需要进行擦除。
/******************************************************************************
* @ 函数名 ： Flash_Erase_Sector
* @ 功 能 ： 擦除FLASH指定扇区
* @ 参 数 ： addr 开始读取的地址
* @ 返回值 ： 无
******************************************************************************/
void Flash_Erase_Sector(unsigned long addr)
{
Spi_Write_Enable(); //写使能
CS = 0; //选中芯片
Spi_Write_Read_One_Byte(ERASE_SECTOR); //发送扇区擦除命令
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 16) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte((addr >> 8) & 0xff);
Spi_Write_Read_One_Byte(addr & 0xff);
CS = 1; //释放芯片
Flash_Wait_For_Written(); //等待擦写完成
}
Flash还有其他高级操作，比如跨页写，这里就不进行讲述，只实现简单的读写功能。
Proteus小实验
这里用上面的代码仿真一个小实验，完整工程代码见文末
实现功能：先将 AT25F1024（1Mb）的第一个扇区进行擦除，再向 0 号地址空间写入 8 个16进制数据，最后从 AT25F1024 的 0 号地址空间写读出 8 个字节数据，同时显示在数码管上。
Proteus仿真
第一步擦除实际用时40多秒，但Proteus中的时序分析显示用时1s，可能是给虚拟机的内存不够，导致运行速度受限。
实验现象：
完整代码
本人水平有限，仅供参考。
为方便展示，所有代码写在同一个文件
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