STM32F103标准库开发---SPI实验---W25Qxx系列外部Flash芯片

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STM32F103标准库开发----SPI实验----基本原理
STM32F103标准库开发----SPI实验----底层驱动程序

W25Qxx全系列----数据手册

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一、W25Qxx系列芯片----简介

W25Qxx 系列 Flash 存储器可以为用户提供存储解决方案。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。
W25Qxx 系列 Flash 存储器是为系统提供一个最小空间、最少引脚，最低功耗的串行Flash存储器，比普通的串行Flash存储器更灵活，性能更优越。
功耗低，正常工作状态下电流消耗0.5mA，掉电状态下电流消耗1uA。

1. 存储结构

W25Qxx 系列 Flash 存储器的存储结构
相同点：

• 1块 = 16扇区 = 64k字节，1扇区 = 16页 = 4k字节，1页 = 256字节。
• 只有三种擦除方式：扇区擦除 、 块擦除 和 全片擦除。
• 写操作一次可以写1~256字节，最多一次写一页256字节。

不同点： 容量和内存空间地址不同，具体如下表所示：

芯片型号	总容量	总块数	内存空间地址
W25Q80	8M(bit)—1M(字节)	16	0x000000~0x0FFFFF(24bit)
W25Q16	16M(bit)—2M(字节)	32	0x000000~0x1FFFFF(24bit)
W25Q32	32M(bit)—4M(字节)	64	0x000000~0x3FFFFF(24bit)
W25Q64	64M(bit)—8M(字节)	128	0x000000~0x7FFFFF(24bit)
W25Q128	128M(bit)—16M(字节)	256	0x000000~0xFFFFFF(24bit)
W25Q256	256M(bit)—32M(字节)	512	0x00000000~0x01FFFFFF(32bit)
W25Q512	512M(bit)—64M(字节)	1024	0x00000000~0x03FFFFFF(32bit)

2. 引脚接口

下面只介绍标准SPI接口，接口如下图所示：

1. 片选引脚：/CS
   （1）当CS引脚为高电平时，芯片被禁能，DO引脚高阻态，不能进行读写操作。
   （2）当CS引脚为低电平时，芯片被使能，能进行读写操作。
      上电后，执行一条新指令之前必须使CS引脚先有一个下降沿。

2. 数据输出引脚：DO（IO1）
   标准SPI模式： CLK上升沿捕获地址和命令，下降沿输出数据。
   QSPI模式： 双向数据传输 IO1。

3. 写保护引脚：/WP（IO2）
   标准SPI模式：
   写保护引脚可以被用来保护状态寄存器不被意外改写。
   （1）当WP引脚为高电平时，芯片写保护失能，可以正常写入数据。
   （2）当WP引脚为低电平时，芯片写保护使能，不可以正常写入数据。
   QSPI模式： 双向数据传输 IO2。

4. 地：GND
   电源地

5. 数据输入引脚：DI（IO0）
   标准SPI模式：
   数据、地址和命令从DI引脚送到芯片内部，在CLK引脚的上升沿捕获。
   QSPI模式： 双向数据传输 IO0。

6. 串行时钟引脚：CLK
   SPI时钟引脚，为输入输出提供时序。

7. 保持引脚：/HOLD（IO3）
   标准SPI模式：
   当CS引脚为低电平时
   （1）当HOLD为低电平时，DO引脚处于高阻态状态，而且也会忽略DIO和CLK引脚上的信号。
   （2）当HOLD为高电平时，芯片恢复正常工作。
   QSPI模式： 双向数据传输 IO3。

8. 电源：VCC
   电源正极

3. 原理图

4. 内部结构框架图

5. 型号ID

W25Qxx 系列 Flash 存储器支持 JEDEC 标准，具有唯一的 64 位识别序列号，方便区别芯片型号，具体如下表所示：

芯片型号	芯片ID(64bit)
W25Q80	0xEF13
W25Q16	0xEF14
W25Q32	0xEF15
W25Q64	0xEF16
W25Q128	0xEF17
W25Q256	0xEF18
W25Q512	0xEF19

二、W25Qxx系列芯片----工作原理

1. SPI 运行方式

W25Qxx系列芯片支持以下两种SPI通信方式:
模式0： CPOL = 0，CPHA = 0
模式3： CPOL = 1，CPHA = 1

2. W25Qxx系列芯片----状态寄存器

注：这里是记录所有W25Qxx系列芯片的状态寄存器，有些型号的状态寄存器，没有全部功能。

状态寄存器1

S7	S6	S5	S4	S3	S2	S1	S0
SRP	SEC	TB	BP2	BP1	BP0	WEL	BUSY
读/写	读/写	读/写	读/写	读/写	读/写	只读	只读

S0----总线忙标志位（BUSY）
在执行页编程、扇区擦除、块区擦除、芯片擦除以及写状态寄存器指令时，该位被硬件自动置1。这时候，除了读状态寄存器指令外的所有操作指令都会被芯片忽略。
当芯片执行完这些指令后，硬件会自动将该位清0，表示芯片器件可以接收其他的指令。

S1----写保护位（WEL）
执行完写使能指令后，该位置1
当芯片掉电后和执行写禁能、页编程、扇区擦除、块区擦除以及芯片擦除指令都会进入写保护状态，该位置0

S2、S3、S4----块区保护位（BP2、BP1、BP0）
这3个位默认状态为0，即块区处于未保护状态。可以利用“写状态寄存器”指令对这几个位进行置1来达到块区保护的目的。块区保护状态为：没有保护、部分保护和全部保护状态。
当状态寄存器的SRP位为1或读写保护管脚（/WP）为低电平时，这3个位不可被更改。

S5----底部和顶部块保护位（TB）
此位默认值为0，可以利用“写状态寄存器”指令对这个位进行置1或清零。
当TB = 0时，表示保护位从顶部开始；
当TB = 1时，表示保护位从底部开始。
当状态寄存器的SRP位为1或读写保护管脚（/WP）为低电平时，这个位不可被更改。

S6----扇区/块保护（SEC）
此位默认值为0，可以利用“写状态寄存器”指令对这个位进行置1或清零。
当SEC = 0时，表示每次保护的区域大小为4K；
当SEC = 1时，表示每次保护的区域大小为64K。

状态寄存器2

S15	S14	S13	S12	S11	S10	S9	S8
SUS	CMP	LB3	LB2	LB1	预留	QE	SRL
只读	读/写	读/写	读/写	读/写	无	读/写	读/写

S7、S8----状态寄存器保护位（SRP、SRL）
这两个位的默认值为0，可以利用“写状态寄存器”指令对这个位进行置1或清零。
这两位和读写保护管脚（/WP）决定了状态寄存器写保护的方式。
状态寄存器写保护的方式有：软件保护，硬件保护、电源锁定或一次性可编程（OTP）保护。

S9----快速SPI通讯使能（QE）
此位默认值为0，可以利用“写状态寄存器”指令对这个位进行置1或清零。
当QE = 0时，设置为标准速度模式或快速模式，保持管脚（/HOLE）和读写保护管脚（/WP）启用；
当QE = 1时，设置为高速模式，保持管脚（/HOLE）和读写保护管脚（/WP）被设置为IO2和IO3功能使用。

S10、S11、S12、S13----安全寄存器锁位（LB3、LB2、LB1）
LB3-1的默认状态为0，安全寄存器被解锁。
可以使用写状态寄存器指令将LB3-1单独设置为1。
LB3-1是一次性可编程(OTP)，一旦它设置为1，相应的256字节安全寄存器将成为永久只读。

S14----补码保护位（CMP）
它与SEC、TB、BP2、BP1和BP0位结合使用，为阵列保护提供更大的灵活性。
一旦CMP设置为1，之前SEC、TB、BP2、BP1和BP0设置的阵列保护将被逆转。例如：
当CMP=0时，一个最高64KB的块可以被保护，而数组的其他部分则不受保护;
当CMP=1时，最上面的64KB块将成为不受保护的，而数组的其余部分将成为只读的。
默认设置为CMP=0。

S15----暂停状态位（SUS）
在执行**擦除/程序暂停(75h)指令后设置为1。
通过擦除/程序恢复 (7Ah)**指令以及下电、上电周期将SUS状态位清除为0。

状态寄存器3

S23	S22	S21	S20	S19	S18	S17	S16
HOLD/RST	DRV1	DRV0	预留	预留	WPS	ADP	ADS
读/写	读/写	读/写	无	无	读/写	读/写	只读

S16----当前地址模式（ADS）
表示设备当前运行的地址模式。
当ADS=0时，设备处于3字节地址模式，
当ADS=1时，设备处于4字节地址模式。

S17----启动时地址模式（ADP）
决定设备上电或复位时的初始地址模式，该位仅在上电或设备复位初始化期间使用。
当ADP=0(出厂默认)时，设备将启动到3字节地址模式，扩展地址寄存器必须用于访问超过128Mb的内存区域。当ADP=1时，设备将直接启动到4字节地址模式。

S18----写保护方案（WPS）
当WPS=0时，设备将使用CMP、SEC、TB、BP[2:0]位的组合来保护存储阵列的特定区域。
当WPS=1时，设备将使用单独块锁来保护任何单独的扇区或块。
设备上电或复位后，所有单个块锁定位的缺省值为1。

S22、S21 ---- 输出信号强度（DRV1、DRV0）

S23----HOLD/RST引脚功能选择
当HOLD/RST=0(出厂设置)时，引脚为/HOLD。
当HOLD/RST=1时，引脚为/RESET。
但是，只有当QE=0时，/HOLD或/RESET函数才可用。
QE设置为1时，关闭/HOLD和/RESET功能，引脚为专用数据I/O引脚。

3. W25Qxx系列芯片----常用操作命令

（1）单字节操作

单字节操作，只往芯片中写入1字节的操作命令，具体代码如下：

void W25QXX_Write_Enable(void) //写使能 
{
	W25QXX_CS(0);				 //拉低片选CS引脚---使能芯片
	W25QXX_ReadWriteByte(0x06);  //写入1字节操作命令
	W25QXX_CS(1);				 //拉高片选CS引脚---关闭芯片	
}

操作命令 如下表所示：

指令名称	指令数据(hex)	功能
Write Enable	0x06	写操作启用
Volatile SR Write Enable	0x50	易失性状态寄存器的写启用
Write Disable	0x04	写操作禁用
Set Read Parameters	0xC0	设置读取参数
Chip Erase	0xC7/0x60	擦除芯片
Global Block/Sector Lock	0x7E	全局块/扇区上锁
Global Block/Sector Unlock	0x98	全局块/扇区解锁
Erase / Program Suspend	0x75	擦除/程序挂起
Erase / Program Resume	0x7A	擦除/程序恢复
Power-down	0xB9	断电
Release Power-down	0xAB	解除断电
Enter 4-Byte Address Mode	0xB7	输入4字节地址模式
Exit 4-Byte Address Mode	0xE9	退出4字节地址模式
Enter QPI Mode	0x38	开启QSPI模式
Exit QPI Mode	0xFF	退出QSPI模式
Enable Reset	0x66	使能复位
Reset Device	0x99	复位

注：如果想要实现其他功能，替换操作指令数据，便可实现功能。

（2）双字节操作

双字节操作，先往芯片中写入1字节的操作命令，接下来是读取/写入的字节数据。
具体代码如下：

//读取1字节数据
uint8_t W25QXX_ReadSR(void)//读取状态寄存器
{
	uint8_t  data=0;
	W25QXX_CS(0);            		 //拉低片选CS引脚---使能芯片
	W25QXX_ReadWriteByte(0x05);  	 //写入1字节操作命令
	data=W25QXX_ReadWriteByte(0Xff); //读取1字节数据
	W25QXX_CS(1);                    //拉高片选CS引脚---取消片选
	return data;
}

//写入1字节数据
void W25QXX_WriteSR(uint8_t data)//写状态寄存器
{
	W25QXX_CS(0);            	//拉低片选CS引脚---使能芯片
	W25QXX_ReadWriteByte(0x01); //写入1字节操作命令
	W25QXX_ReadWriteByte(data); //写入1字节数据
	W25QXX_CS(1);               //拉高片选CS引脚---取消片选
}

操作命令 如下表所示：

指令名称	指令数据(hex)	写入/读取的数据(hex)	功能
Read Status Register-1	0x05	（S7-S0）	读状态寄存器1
Write Status Register-1	0x01	（S7-S0）	写状态寄存器1
Read Status Register-2	0x35	（S15-S8）	读状态寄存器2
Write Status Register-2	0x31	（S15-S8）	写状态寄存器2
Read Status Register-3	0x15	（S23-S16）	读状态寄存器3
Write Status Register-3	0x11	（S23-S16）	写状态寄存器3
Read Extended Addr. Reg	0xC8	（EA7-EA0）	读扩展地址寄存器
Write Extended Addr. Reg	0xC5	（EA7-EA0）	写扩展地址寄存器

注：如果想要实现其他功能，替换操作指令数据，便可实现功能。

（3）读取ID操作

具体代码如下：

uint16_t W25QXX_ReadID(void)//读取芯片ID
{
	uint16_t ID = 0;	  
	W25QXX_CS(0);				//拉低片选CS引脚---使能芯片    
	W25QXX_ReadWriteByte(0x90);	//发送读取ID命令	    
	W25QXX_ReadWriteByte(0x00); 	    
	W25QXX_ReadWriteByte(0x00); 	    
	W25QXX_ReadWriteByte(0x00); 	 			   
	ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF)<<8;  
	ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF);	 
	W25QXX_CS(1);				 //拉高片选CS引脚---取消片选   
	return ID;
}

操作命令 如下表所示：

指令名称	指令数据(hex)	字节1	字节2	字节3	字节4	字节5	功能
Device ID	0xAB	0x00	0x00	0x00	（ID7-ID0）		读取设备ID
Manufacturer/Device ID	0x90	0x00	0x00	0x00	（MF7-MF0）	（ID7-ID0）	读取制造商+设备ID
JEDEC ID	0x9F	（MF7-MF0）	（ID15-ID8）	（ID7-ID0）			读取全部ID
Read Unique ID	0x4B	0x00	0x00	0x00	0x00	（UID63-0）	读取唯一ID号

注：如果想要实现其他功能，替换操作指令数据，便可实现功能。

（4）带地址操作

带地址操作主要分两种：
3字节地址：W25Qxx系列芯片都可以使用。
4字节地址：只有W25Q256和W25Q512可用。

• 3字节地址
  具体代码如下：

//读取数据
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)   
{ 						    
	W25QXX_CS(0);	                        //拉低片选CS引脚---使能芯片
    W25QXX_ReadWriteByte(0x03);    			//发送读取命令  
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16));   //发送24bit地址    
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8));   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr);   
    for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据
	{ 
       pBuffer[i]=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF);    //循环读数  
    }
	W25QXX_CS(1);				    	      
}  

//写入数据
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{
    W25QXX_Write_Enable();                  	//写使能
	W25QXX_CS(0);                            	//使能器件   
    W25QXX_ReadWriteByte(0x02);   //发送页写命令   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址    
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8));   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);   
    for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据
	{
		W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer[i]);//循环写数  
	}
	W25QXX_CS(1);                            	//取消片选 
	W25QXX_Wait_Busy();					   		//等待写入结束
} 

操作命令 如下表所示：

指令名称	指令数据(hex)	地址1	地址2	地址3	数据1	数据2	功能
Read Data	0x03	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(D7-D0)	(D7-D0)	读取数据
Fast Read	0x0B	A23-A16	A15-A8	A7-A0	0x00	(D7-D0)	快速读取数据
Page Program	0x02	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(D7-D0)	(D7-D0)	页写数据
Sector Erase (4KB)	0x20	A23-A16	A15-A8	A7-A0			扇区擦除
Block Erase (32KB)	0x52	A23-A16	A15-A8	A7-A0			半块擦除
Block Erase (64KB)	0xD8	A23-A16	A15-A8	A7-A0			整块擦除
Read SFDP Register	0x5A	A23-A16	A15-A8	A7-A0	0x00	(D7-D0)
Erase Security Register	0x44	A23-A16	A15-A8	A7-A0			擦除安全寄存器
Program Security Register	0x42	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(D7-D0)	(D7-D0)	编辑安全寄存器
Read Security Register	0x48	A23-A16	A15-A8	A7-A0	0x00	(D7-D0)	读取安全寄存器
Erase Security Register	0x3D	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(L7-L0)		读块锁
Individual Block Lock	0x36	A23-A16	A15-A8	A7-A0			单块上锁
Individual Block Unlock	0x39	A23-A16	A15-A8	A7-A0			单块解锁

• 4字节地址
  具体代码如下：

//启用4字节地址模式	
void W25QXX_Enter_4Byte()
{
	W25QXX_CS(0);				 //拉低片选CS引脚---使能芯片
	W25QXX_ReadWriteByte(0xB7);  //写入1字节操作命令
	W25QXX_CS(1);				 //拉高片选CS引脚---关闭芯片
}

//退出4字节地址模式	
void W25QXX_Exit_4Byte()
{
	W25QXX_CS(0);				 //拉低片选CS引脚---使能芯片
	W25QXX_ReadWriteByte(0xE9);  //写入1字节操作命令
	W25QXX_CS(1);				 //拉高片选CS引脚---关闭芯片
}

//读取数据
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)   
{ 						    
	W25QXX_CS(0);	                        //拉低片选CS引脚---使能芯片
    W25QXX_ReadWriteByte(0x13);    			//发送4字节地址读取命令  
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址 
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16));     
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8));   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr);   
    for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据
	{ 
       pBuffer[i]=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF);    //循环读数  
    }
	W25QXX_CS(1);				    	      
}  

//写入数据
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{
    W25QXX_Write_Enable();                  //写使能
	W25QXX_CS(0);                            //使能器件   
    W25QXX_ReadWriteByte(0x12);   			//发送4字节地址页写命令   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址 
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16));    
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8));   
    W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);   
    for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据
	{
		W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer[i]);//循环写数  
	}
	W25QXX_CS(1);                            	//取消片选 
	W25QXX_Wait_Busy();					   		//等待写入结束
} 

注：如果想要实现4字节地址，需要启用4字节地址模式。

操作命令 如下表所示：

指令名称	指令数据(hex)	地址1	地址2	地址3	地址4	数据1	数据2	功能
Read Data with 4-Byte Address	0x13	A31-A24	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(D7-D0)	(D7-D0)	读取4字节地址数据
Fast Read with 4-Byte Address	0x0B	A31-A24	A23-A16	A15-A8	A7-A0	0x00	(D7-D0)	快读4字节地址数据
Page Program with 4-Byte Address	0x12	A31-A24	A23-A16	A15-A8	A7-A0	(D7-D0)	(D7-D0)	页写4字节地址数据
Sector Erase (4KB) with 4-Byte Address	0x21	A31-A24	A23-A16	A15-A8	A7-A0			扇区擦除4字节地址数据
Block Erase (64KB) with 4-Byte Address	0xDC	A31-A24	A23-A16	A15-A8	A7-A0			整块擦除4字节地址数据

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