【嵌入式学习笔记】嵌入式入门8——SPI总线协议

1.SPI介绍

SPI：串行外设设备接口（Serial Peripheral Interface），是一种高速的，全双工，同步的通信总线。主要应用在存储芯片、AD转换器以及LCD中。
【注：IIC是电平协议，SPI是边沿协议】

1.1.SPI框图（以F1/F4为例，主机模式）

• SPI外设对应的引脚
  STM32芯片有多个SPI外设，每个SPI外设输出的信号会到不同的GPIO口。STM32F1有三个SPI。F4 / F7 / H7 系列芯片SPI外设都有6个，分别为SPI1、SPI2、SPI3、SPI4、SPI5和SPI6。不同系列的SPI外设用到的引脚是不一样的，具体可以查看芯片的datasheet。

• SPI发送与接收流程
  主机只向从机进行写操作，可以忽略接收到的从机数据。
  主机要对从机进行读操作，需要发送一个空数据来引发从机发送数据。

1.2.SPI的工作模式

• 时钟极性(CPOL)：没有数据传输时时钟线的空闲状态电平
  0：SCK在空闲状态保持低电平
  1：SCK在空闲状态保持高电平
• 时钟相位(CPHA)：时钟线在第几个时钟边沿采样数据
  0：SCK的第一(奇数)边沿进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存
  1：SCK的第二(偶数)边沿进行数据位采样，数据在第二个时钟边沿被锁存

• 模式0：CPOL=0，CPHA=0，低电平奇数边沿
  

• 模式1：CPOL=0，CPHA=1，低电平偶数边沿
  

• 模式2：CPOL=1，CPHA=0，高电平奇数边沿
  

• 模式3：CPOL=1，CPHA=1，高电平偶数边沿
  

1.3.SPI相关寄存器介绍（F1/F4/F7）

• SPI控制寄存器1
  用于配置SPI工作参数：SPI模式、SPI方向、NSS、数据帧、CPOL、CPHA、波特率、帧格式等
  

• SPI状态寄存器
  用于查询当前SPI传输状态（TXE、RXNE）
  

• SPI数据寄存器
  用于存放待发送数据或接收数据，有两个缓冲区（TX/RX）
  

1.4.SPI配置步骤（F1/F4/F7）

• 配置SPI工作参数：HAL_SPI_Init()
• SPI的MSP初始化：HAL_SPI_MspInit()，配置NVIC、CLOCK、GPIO等
• 使能SPI：__HAL_SPI_ENABLE
• SPI传输数据：HAL_SPI_Transmit 发送数据、HAL_SPI_Receive 接收数据、HAL_SPI_TransmitReceive 进行发送与接收
• 设置SPI传输速度（可选）：操作SPI_CR1寄存器中的波特率控制位
  
• 关键结构体

typedef struct 
{ 
	uint32_t Mode				/* SPI模式（主机）  */
	uint32_t Direction			/* 工作方式（全双工） */
	uint32_t DataSize			/* 帧格式（8位） */
	uint32_t CLKPolarity		/* 时钟极性（CPOL = 0） */
	uint32_t CLKPhase			/* 时钟相位 （CPHA = 0）*/
	uint32_t NSS				/* SS控制方式（软件） */
	uint32_t BaudRatePrescaler	/* SPI波特率预分频值 */
	uint32_t FirstBit			/* 数据传输顺序（MSB）*/
	uint32_t TIMode				/* 帧格式：Motorola / TI  */
	uint32_t CRCCalculation		/* 设置硬件CRC校验 */
	uint32_t CRCPolynomial		/*  设置CRC校验多项式 */
…
}SPI_InitTypeDef;
//(对于F7/H7来说，还有一些附加功能相关成员(NSS/CRC/IOSwap))

2.NOR FLASH介绍

2.1.FLASH简介

• FLASH是常用的储存器件，它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除、掉电后数据可继续保存的特性，属于EEPROM
• FLASH是有一个物理特性：写数据前需要擦除写操作，1->0，擦除0->1
• FLASH主要有NOR Flash和NAND Flash两种类型，NOR和NAND是两种数字门电路

【注意：NAND和NOR的0地址是不冲突的，NOR占用BANK地址，而NAND不占用BANK地址，它的0地址是内部的】

2.2.NOR FLASH举例——NM25Q128

NM25Q128，串行闪存器件，属于NOR FLASH，容量为128 Mb。擦写周期可达10W次，可以将数据保存达20年之久。
SPI数据传输时序：支持模式0（CPOL = 0 , CPHA = 0）和模式3（CPOL = 1, CPHA = 1）
数据格式：数据长度8位大小，先发高位，再发低位
传输速度：支持标准模式104M bit/s


寻址范围：0x00000000-0x00FFFFFF
读：任意读
写：页内写、页间写（擦除/不擦除）
擦：片擦、块擦、扇擦…

• 常用指令及时序

2.3.NOR Flash工作时序（NM25Q128）

NOR FLASH的指令总数比较多, 但是如果只需要实现基本操作, 还是比较简单的。一般我们只需要：5条指令即可完成对NOR FLASH的基本使用（以NM25Q128为例）

• 写使能 Write Enable (06H)
  

• 读状态寄存器Read Status Reg1（05H）
  

• 读时序 Read Data Bytes（03H）
  

• 页写时序 PageProgram (02H)
  

• 扇区擦除时序 Sector Erase（20H）
  

• NM25Q128的状态寄存器
  
  BUSY位：指示当前状态。 0：空闲状态(硬件自动清除) 1：当前处于忙碌状态
  WEL位 ：执行WriteEnable指令该位为1，可以页写/扇区or块or片擦除/写状态寄存器。0：写禁止，不能页编程/扇区or块or片擦除/写状态寄存器

2.4.NOR FLASH驱动步骤（NM25Q128）

• 初始化片选引脚与SPI接口：相关GPIO初始化、SPI初始化（模式、位数、分频、MSB等）
• NM25Q128 读取：0x03指令 + 24位地址 + 读取数据
• NM25Q128 扇区擦除：0x06指令 + 等待空闲 + 0x20指令 + 24位地址 + 等待空闲
• NM25Q128 写入：擦除扇区（可选）+ 0x06指令 + 0x02指令 + 24位地址 + 写入数据 + 等待空闲

NOR FLASH驱动核心在写数据，写数据需要注意：

1. 是否需要擦除？
2. 写入数据（是否需要换页？是否需要换扇区？）
3. 遵循：读、改、写 的原则

3.STM32使用SPI协议驱动NM25Q128实验

【代码暂不贴出】