7、单片机与W25Q128(FLASH)的通讯(SPI)实验(STM32F407)
SPI接口简介
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。
SPI接口框图
SPI内部结构简明图
SPI接口一般使用4条线通信：
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。
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。
STM32 SPI接口可配置为支持SPI协议或者支持I2S音频协议，默认是SPI模式。可以通过软件切换到I2S方式。
SPI引脚配置（3个SPI)
哪些引脚可以复用为SPIx的相应功能引脚，需要查数据手册。
常用寄存器
SPI控制寄存器1（SPI_CR1)
SPI控制寄存器2（SPI_CR2)
SPI状态寄存器（SPI_SR)
SPI数据寄存器（SPI_DR)
SPI_I2S配置寄存器（SPI_I2S_CFGR)
SPI_I2S预分频寄存器（SPI_I2SPR)
程序源码
w25qxx.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
#define NM25Q80 0X5213
#define NM25Q16 0X5214
#define NM25Q32 0X5215
#define NM25Q64 0X5216
#define NM25Q128 0X5217
#define NM25Q256 0X5218
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
w25qxx.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_4); // 设置为21M时钟
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 < NumByteToRead; i++)
{
pBuffer[i] = SPI1_ReadWriteByte(0XFF); // 循环读数
}
W25QXX_CS = 1;
}
// SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
// 在指定地址开始写入最大256字节的数据
// 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256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!
void W25QXX_Write_Page(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
u16 i;
W25QXX_Write_Enable(); // SET WEL
W25QXX_CS = 0; // 使能器件
SPI1_ReadWriteByte(W25X_PageProgram); // 发送写页命令
SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr) >> 16)); // 发送24bit地址
SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr) >> 8));
SPI1_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);
for (i = 0; i < NumByteToWrite; i++)
SPI1_ReadWriteByte(pBuffer[i]); // 循环写数
W25QXX_CS = 1; // 取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); // 等待写入结束
}
// 无检验写SPI FLASH
// 必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
// 具有自动换页功能
// 在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
// 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)
// CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
u16 pageremain;
pageremain = 256 - WriteAddr % 256; // 单页剩余的字节数
if (NumByteToWrite <= pageremain)
pageremain = NumByteToWrite; // 不大于256个字节
while (1)
{
W25QXX_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, pageremain);
if (NumByteToWrite == pageremain)
break; // 写入结束了
else // NumByteToWrite>pageremain
{
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];
/*首先读取整个扇区的内容到W25QXX_BUF中。
接下来，使用一个for循环对读取的数据进行校验。循环从0到secremain（扇区剩余空间大小）遍历W25QXX_BUF数组。如果发现W25QXX_BUF[secoff+i]不等于0xFF，说明需要擦除这个扇区。
如果需要擦除扇区，则调用W25QXX_Erase_Sector函数擦除该扇区。然后，使用一个for循环将pBuffer中的数据复制到W25QXX_BUF中。
最后，调用W25QXX_Write_NoCheck函数将W25QXX_BUF中的数据写入整个扇区。如果不需要擦除扇区，则直接调用W25QXX_Write_NoCheck函数将pBuffer中的数据写入扇区剩余区间。
接下来，根据写入的情况进行一些处理。如果NumByteToWrite等于secremain，说明写入已经结束，此时跳出循环。否则，继续写入下一个扇区。
在写入下一个扇区之前，需要更新一些变量的值。secpos增加1，表示下一个扇区的地址。secoff重置为0，表示下一个扇区的偏移位置。
pBuffer和WriteAddr分别增加secremain，表示指针和写地址的偏移量。NumByteToWrite减去secremain，表示剩余要写入的字节数。
如果剩余要写入的字节数大于4096，说明下一个扇区还是写不完，所以secremain设置为4096。否则，secremain设置为剩余要写入的字节数。*/
void W25QXX_Write(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite) // pBuffer表示要写入的数据缓冲区，WriteAddr表示写入的起始地址，NumByteToWrite表示要写入的字节数
{
u32 secpos; // 表示扇区地址
u16 secoff; // 表示在扇区内的偏移
u16 secremain; // 表示扇区剩余空间大小
u16 i; // 表示循环计数器
u8 *W25QXX_BUF; // W25QXX_BUF表示W25QXX缓冲区
W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER; // 将W25QXX_BUF指向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; i < secremain; i++) // 校验数据
{
if (W25QXX_BUF[secoff + i] != 0XFF)
break; // 需要擦除
}
if (i < secremain) // 需要擦除，因为如果如果不需要擦除，i经过上面的校验应该大于secremain
{
W25QXX_Erase_Sector(secpos); // 擦除这个扇区
for (i = 0; i < secremain; i++) // 复制
{
W25QXX_BUF[i + secoff] = pBuffer[i];
}
W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF, secpos * 4096, 4096); // 写入整个扇区
}
else
W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer, WriteAddr, secremain); // 写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间.
if (NumByteToWrite == secremain)
break; // 写入结束了
else // 写入未结束
{
secpos++; // 扇区地址增1
secoff = 0; // 偏移位置为0
pBuffer += secremain; // 指针偏移
WriteAddr += secremain; // 写地址偏移
NumByteToWrite -= secremain; // 字节数递减
if (NumByteToWrite > 4096)
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
}
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];
u32 FLASH_SIZE;
u16 id = 0;
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
LCD_Init(); // LCD初始化
KEY_Init(); // 按键初始化
W25QXX_Init(); // W25QXX初始化
POINT_COLOR = RED;
LCD_ShowString(30, 50, 200, 16, 16, "Explorer STM32F4");
LCD_ShowString(30, 70, 200, 16, 16, "SPI TEST");
LCD_ShowString(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30, 110, 200, 16, 16, "2023/12/01");
LCD_ShowString(30, 130, 200, 16, 16, "KEY1:Write KEY0:Read"); // 显示提示信息
while (1)
{
id = W25QXX_ReadID();
if (id == W25Q128 || id == NM25Q128)
break;
LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "W25Q128 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0 = !LED0; // DS0闪烁
}
LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "W25Q128 Ready!");
FLASH_SIZE = 16 * 1024 * 1024; // FLASH 大小为16字节
POINT_COLOR = BLUE; // 设置字体为蓝色
while (1)
{
key = KEY_Scan(0);
if (key == KEY1_PRES) // KEY1按下,写入W25Q128
{
LCD_Fill(0, 170, 239, 319, WHITE); // 清除半屏
LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "Start Write W25Q128....");
W25QXX_Write((u8 *)TEXT_Buffer, FLASH_SIZE - 100, SIZE); // 从倒数第100个地址处开始,写入SIZE长度的数据
LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "W25Q128 Write Finished!"); // 提示传送完成
}
if (key == KEY0_PRES) // KEY0按下,读取字符串并显示
{
LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "Start Read W25Q128.... ");
W25QXX_Read(datatemp, FLASH_SIZE - 100, SIZE); // 从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节
LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "The Data Readed Is: "); // 提示传送完成
LCD_ShowString(30, 190, 200, 16, 16, datatemp); // 显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if (i == 20)
{
LED0 = !LED0; // 提示系统正在运行
i = 0;
}
}
}
实验效果
SPI实验