STM32F103_SPI读写外部FLASH

1、SPI简介

1. SPI协议简介

SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial PeripheralInterface)，即串行外围设备接口，是一种高速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，它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。

2.SPI物理层的特点

2.1.SPI 的内部简明图

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。

2.2.物理层

SS:从每个从设备都有独立的这一条SS信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS。
本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用SS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的SS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以SS线置低电平为开始信号，以SS线被拉高作为结束信号。

SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。
它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。
主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。
主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

3.SPI的协议层

SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

3.1.SPI基本通讯过程

3.2. 通讯的起始和停止信号

NSS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。
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。

3.3.数据有效性

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。

3.4.CPOL/CPHA及通讯模式

由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“式3”。

时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。
CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则为高电平。

时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。

总结：

4.STM32 的 SPI 特性及架构

4.1.通讯引脚：

● MISO：主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
● MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
● SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入
● NSS：从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。

4.2. 时钟控制逻辑(波特率发生器)

SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率，APB1为fpclk1（36MHZ），APB2为fpckl2(72MHZ)。

4.3.数据控制逻辑

SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源来源于接收缓冲区及发送缓冲区。
• 通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中。
• 通过读“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。
• 其中数据帧长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式；配置“LSBFIRST位”可选择MSB先行还是LSB先行。

4.4.整体控制逻辑

• 整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。

• 在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。

• 实际应用中，一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

4.5.通讯过程

• 控制NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；
• 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中，该数据会被存储到发
送缓冲区；
• 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位
一位地传输出去；MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
• 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”
会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完
一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接
收缓冲区非空；
• 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往
“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为1时，通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

5.SPI 初始化结构体详解

typedef struct
{
uint16_t SPI_Direction; // 设置 SPI 的单双向模式
uint16_t SPI_Mode; // 设置 SPI 的主/从机端模式
uint16_t SPI_DataSize;// 设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位
uint16_t SPI_CPOL;// 设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平
uint16_t SPI_CPHA; // 设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样
uint16_t SPI_NSS; // 设置 NSS 引脚由 SPI 硬件控制还是软件控制

uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;//设置时钟分频因子，fpclk/分频数 =fSCK
uint16_t SPI_FirstBit; // 设置 MSB/LSB 先行
uint16_t SPI_CRCPolynomial; //设置 CRC 校验的表达式
} SPI_InitTypeDef;

SPI_Direction

本成员设置SPI的通讯方向，可设置为双线全双工

(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收
(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线
(SPI_Direction_1Line_Tx)只发送模式。

SPI_Mode

本成员设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave)，这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK 的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，STM32的SPI外设将接 受外来的SCK信号。

SPI_DataSize

本成员可以选择SPI通讯的数据帧大小是为8位(SPI_DataSize_8b)还是16位(SPI_DataSize_16b)。

SPI_CPOL

时钟极性CPOL成员，可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平 (SPI_CPOL_Low )。

SPI_CPHA

时钟相位CPHA 则可以设置为SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge
(在SCK的偶数边沿采集数据) 。

SPI_NSS

本成员配置NSS引脚的使用模式，可以选择为硬件模(SPI_NSS_Hard )与软件模式(SPI_NSS_Soft )，在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生，而软件模式则需要亲自把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。

SPI_BaudRatePrescaler

本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分频

SPI_FirstBit

所有串行的通讯协议都会有MSB先行(高位数据在前)还是LSB先行(低位数据在前)的问题，而STM32的SPI模块可以通过这个结构体成员，对该特性编程控制

•SPI_CRCPolynomial

这是SPI的CRC校验中的多项式，若我们使用CRC校验时，就使用这个成员的参数(多项式)，来计算CRC的值。

6.SPI-读写串行FLASH

6.1.FLASH简介

FLSAH 存储器又称闪存，它与 EEPROM 都是掉电后数据不丢失的存储器，但 FLASH 存储器容量普遍大于 EEPROM，现在基本取代了它的地位。我们生活中常用的 U 盘、SD 卡、SSD 固态硬盘以及我们 STM32 芯片内部用于存储程序的设备，都是 FLASH 类型的存储器。在存储控制上，最主要的区别是 FLASH 芯片只能一大片一大片地写。

6.2.硬件设计

6.3.软件设计

编程要点
(1) 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟；
(2) 使能 SPI 外设的时钟；
(3) 配置 SPI 外设的模式、地址、速率等参数并使能 SPI 外设；
(4) 编写基本 SPI 按字节收发的函数；
(5) 编写对 FLASH 擦除及读写操作的的函数；
(6) 编写测试程序，对读写数据进行校验。

6.4.代码详解

初始化对应的GPIO

static void GPIO_Config(void)
{
   
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,  ENABLE);
  GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_SCK_PIN|SPI_MOSI_PIN;  //MOSI SCK
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = SPI_SCK_Mode ;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB , &GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MISO_PIN;   //MISO
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING ;
	GPIO_Init(GPIOB , &GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_CS_PIN;   //CS
	GPIO_InitStruct