在我们的HAL库中，对硬件SPI函数做了很好的集成，使得之前SPI几百行代码，在HAL库中，只需要寥寥几行就可以完成 那么这篇文章将带你去感受下它的优异之处，这些优异的函数，也正是HAL库的优点所在

所用工具：

1、芯片： STM32F103ZET6

2、STM32CubeMx软件

3、IDE： MDK-Keil软件

4、STM32F1xx/STM32F4xxHAL库

5、SPI： 使用硬件SPI1

知识概括：

通过本篇博客您将学到：

SPI的基本原理

STM32CubeMX创建SPI例程

HAL库SPI函数库

什么是SPI
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(摩托罗拉)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主从模式
SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps

SPI信号线
SPI接口一般使用四条信号线通信：
SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）

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。
SCLK：串行时钟信号，由主设备产生。
CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。
硬件上为4根线。

SPI一对一



SPI一对多



SPI数据发送接收
SPI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。

1.首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
2.主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据
这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式，这个我们在下面会介绍
3.主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
4.从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。



SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，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。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

SPI工作模式
根据时钟极性（CPOL）及相位（CPHA）不同，SPI有四种工作模式。
时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：
CPOL=0为时钟空闲时为低电平
CPOL=1为时钟空闲时为高电平

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。
CPHA=0:在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。
CPHA=1:在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。



W25Q128 FLASH芯片介绍
W25Q128是一款SPI通信的FLASH芯片，可以通过标准/两线/四线SPI控制，其FLASH的大小为16M，分为 256 个块（Block），每个块大小为 64K 字节，每个块又分为 16个扇区（Sector），每个扇区 4K 个字节。通过SPI通信协议即可实现MCU(STM32)和 W25Q128 之间的通信。实现W25Q128的控制需要通过SPI协议发送相应的控制指令，并满足一定的时序。

原理图连接



常用指令：

写使能(Write Enable) (06h)



向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

扇区擦除指令(Sector Erase) (0x20h)


扇区擦除指令，数据写入前必须擦除对应的存储单元，该指令先拉低/CS引脚电平,接着传输“20H”指令和要24位要擦除扇区的地址。

读命令(Read Data) (03h)

读数据指令可从存储器依次一个或多个数据字节，该指令通过主器件拉低/CS电平使能设备开始传输，然后传输“03H”指令，接着通过DI管脚传输24位地址，从器件接到地址后，寻址存储器中的数据通过DO引脚输出。每传输一个字节地址自动递增，所以只要时钟继续传输，可以不断读取存储器中的数据。



状态读取命令(Read Status Register)

读状态寄存器1(05H)，状态寄存器2（35H）,状态寄存器3（15H）
写入命令0x05，即可读取状态寄存器的值。



写入命令(Page Program) (02h)



在对W25Q128 FLASH的写入数据的操作中一定要先擦出扇区，在进行写入，否则将会发生数据错误。
W25Q128 FLASH一次性最大写入只有256个字节。
在进行写操作之前，一定要开启写使能(Write Enable)。
当只接收数据时不但能只检测RXNE状态 ，必须同时向发送缓冲区发送数据才能驱动SCK时钟跳变。

基于CubeMx的讲解
1设置RCC时钟



设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源

2 SPI设置

SPI2设置为全双工主模式，硬件NSS关闭，如下图：





模式设置:

有主机模式全双工/半双工
从机模式全双工/半双工
只接收主机模式/只接收从机模式
只发送主机模式
因为我们是和W25Q128V芯片闪存芯片进行通信，所以设置为主机全双工

不使能硬件NSS



STM32有硬件NSS(片选信号)，可以选择使能，也可以使用其他IO口接到芯片的NSS上进行代替

其中SIP1的片选NSS ： SPI1_NSS（PA4）
其中SIP2的片选NSS ： SPI2_NSS（PB12）

如果片选引脚没有连接 SPI1_NSS（PA4）或者SPI2_NSS（PB12），则需要选择软件片选

NSS管脚及我们熟知的片选信号，作为主设备NSS管脚为高电平，从设备NSS管脚为低电平。当NSS管脚为低电平时，该spi设备被选中，可以和主设备进行通信。在stm32中，每个spi控制器的NSS信号引脚都具有两种功能，即输入和输出。所谓的输入就是NSS管脚的信号给自己。所谓的输出就是将NSS的信号送出去，给从机。
对于NSS的输入，又分为软件输入和硬件输入。
软件输入：
NSS分为内部管脚和外部管脚，通过设置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都为1可以设置NSS管脚为软件输入模式且内部管脚提供的电平为高电平，其中SSM位为使能软件输入位。SSI位为设置内部管脚电平位。同理通过设置SSM和SSI位1和0则此时的NSS管脚为软件输入模式但内部管脚提供的电平为0。若从设备是一个其他的带有spi接口的芯片，并不能选择NSS管脚的方式，则可以有两种办法，一种是将NSS管脚直接接低电平。另一种就是通过主设备的任何一个gpio口去输出低电平选中从设备。
硬件输入：
主机接高电平，从机接低电平。

左键对应的软件片选引脚，选择GPIO_Output(输出模式),然后点击GPIO，设置一下备注。

我这里虽然PB12是SPI2的硬件片选NSS，但是我想用软件片选，所以关闭了硬件NSS






SPI配置默认如下：

SPI配置中设置数据长度为8bit,MSB先输出分频为64分频，则波特率为125KBits/s。其他为默认设置。
Motorla格式，CPOL设置为Low,CPHA设置为第一个边沿。不开启CRC检验，NSS为软件控制。



最后记得初始化一下串口，因为需要测试例程，发送数据到上位机。



3时钟源设置


我的是 外部晶振为8MHz

1选择外部时钟HSE 8MHz
2PLL锁相环倍频9倍
3系统时钟来源选择为PLL
4设置APB1分频器为 /2
5 使能CSS监视时钟

32的时钟树框图 如果不懂的话请看《【STM32】系统时钟RCC详解(超详细，超全面)》

4项目文件设置



1 设置项目名称
2 设置存储路径
3 选择所用IDE



5创建工程文件

然后点击GENERATE CODE 创建工程

配置下载工具
新建的工程所有配置都是默认的 我们需要自行选择下载模式，勾选上下载后复位运行



SPI函数详解

在stm32f1xx_hal_spi.h头文件中可以看到spi的操作函数。分别对应轮询，中断和DMA三种控制方式。



轮询： 最基本的发送接收函数，就是正常的发送数据和接收数据
中断： 在SPI发送或者接收完成的时候，会进入SPI回调函数，用户可以编写回调函数，实现设定功能
DMA： DMA传输SPI数据

利用SPI接口发送和接收数据主要调用以下两个函数：

1. HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据
   
2. HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据

复制代码

SPI发送数据函数：

1. HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据

复制代码

参数:

*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 需要发送的数据，可以为数组
Size： 发送数据的字节数，1 就是发送一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行发送函数最长的时间，超过该时间自动退出发送函数

SPI接收数据函数：

1. HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据

复制代码

参数:
*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 接收发送过来的数据的数组
Size： 接收数据的字节数，1 就是接收一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行接收函数最长的时间，超过该时间自动退出接收函数


SPI接收回调函数：

1. 　HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, TXbuf,RXbuf,CommSize);

复制代码

当SPI上接收出现了 CommSize个字节的数据后，中断函数会调用SPI回调函数：

1. 　　　HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)

复制代码

用户可以重新定义回调函数，编写预定功能即可，在接收完成之后便会进入回调函数

片选引脚：

因为我们是软件使能片选，定义片选引脚，CS片选低电平为有效使能， CS片选高电平不使能

这里用两个宏定义来代替

在main.h中有宏定义命名，SPI2_CS_Pin 就是PB12

1. //以W25Q128为例
   
2. #define SPI_CS_Enable()                         HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
   
3. #define SPI_CS_Disable()                 HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

复制代码

SPI例程详解
因为不同的flash芯片通信协议以及方式都是不同的，所以这里介绍下具体的SPI的发送和接收应该怎么写，具体的请看芯片手册修改下即可，这里提供下W25QXX的驱动文件，以及测试例程，测试是正常没问题

挑几个函数讲解一下：

在w25Qxx.h钟可以修改CS片选引脚，W25Qx_Enable(),W25Qx_Disable()分别为使能和失能SPI设备，即拉低和拉高/CS电平

1. #define W25Qx_Enable()                         HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
   
2. #define W25Qx_Disable()                 HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

复制代码

w25Qxx复位函数：

函数开始先将要发送的数据（命令(0x66)和地址(0x99)）存储在cmd数组中，
拉低片选信号，开始SPI通信
然后后通过HAL_SPI_Transmit（）函数发送出去
拉高片选信号，关闭SPI通信

W25Qx_TIMEOUT_VALUE是最大超时时间，在w25Qxx.h中定义为1000，单位为us

1. /**
   
2.   * @brief  This function reset the W25Qx.
   
3.   * @retval None
   
4.   */
   
5. static void        BSP_W25Qx_Reset(void)
   
6. {
   
7.         uint8_t cmd[2] = {RESET_ENABLE_CMD,RESET_MEMORY_CMD};
   
8.         
   
9.         W25Qx_Enable();
   
10.         /* Send the reset command */
    
11.         HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 2, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);        
    
12.         W25Qx_Disable();
    
13. 
    
14. }

复制代码

W25QXX读函数：
三个参数：
pData 存放读取到的数据的数组
ReadAddr 读取数据的地址
Size 读取数据的大小
…

函数开始先将要发送的数据（命令和地址）存储在cmd数组中，
拉低片选信号，开始SPI通信
然后后通过HAL_SPI_Transmit（）函数发送出去，首先发送写命令(0X03),上方有讲解，然后发送三个字节(24 Bit)的地址
接着通过HAL_SPI_Receive（）接收读取的数据。
拉高片选信号，关闭SPI通信

1. uint8_t BSP_W25Qx_Read(uint8_t* pData, uint32_t ReadAddr, uint32_t Size)
   
2. {
   
3.         uint8_t cmd[4];
   
4. 
   
5.         /* Configure the command */
   
6.         cmd[0] = READ_CMD;
   
7.         cmd[1] = (uint8_t)(ReadAddr >> 16);
   
8.         cmd[2] = (uint8_t)(ReadAddr >> 8);
   
9.         cmd[3] = (uint8_t)(ReadAddr);
   
10.         
    
11.         W25Qx_Enable();
    
12.         /* Send the read ID command */
    
13.         HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 4, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);        
    
14.         /* Reception of the data */
    
15.         if (HAL_SPI_Receive(&hspi2, pData,Size,W25Qx_TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
    
16.   {
    
17.     return W25Qx_ERROR;
    
18.   }
    
19.         W25Qx_Disable();
    
20.         return W25Qx_OK;
    
21. }
    

复制代码

写使能(Write Enable) (06h)



向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

1. uint8_t BSP_W25Qx_WriteEnable(void)
   
2. {
   
3.         uint8_t cmd[] = {WRITE_ENABLE_CMD};
   
4.         uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
   
5. 
   
6.         /*Select the FLASH: Chip Select low */
   
7.         W25Qx_Enable();
   
8.         /* Send the read ID command */
   
9.         HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 1, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);        
   
10.         /*Deselect the FLASH: Chip Select high */
    
11.         W25Qx_Disable();
    
12.         
    
13.         /* Wait the end of Flash writing */
    
14.         while(BSP_W25Qx_GetStatus() == W25Qx_BUSY);
    
15.         {
    
16.                 /* Check for the Timeout */
    
17.     if((HAL_GetTick() - tickstart) > W25Qx_TIMEOUT_VALUE)
    
18.     {        
    
19.                         return W25Qx_TIMEOUT;
    
20.     }
    
21.         }
    
22.         
    
23.         return W25Qx_OK;
    
24. }

复制代码

扇区擦除函数：

扇区擦除指令(Sector Erase) (0x20h)



扇区擦除指令，数据写入前必须擦除对应的存储单元，并且使能写操作，该指令先拉低/CS引脚电平,接着传输“20H”指令和要24位要擦除扇区的地址。判断flash是否为忙状态，如果不为忙则擦除操作完成。

1. uint8_t BSP_W25Qx_Erase_Block(uint32_t Address)
   
2. {
   
3.         uint8_t cmd[4];
   
4.         uint32_t tickstart = HAL_GetTick();
   
5.         cmd[0] = SECTOR_ERASE_CMD;
   
6.         cmd[1] = (uint8_t)(Address >> 16);
   
7.         cmd[2] = (uint8_t)(Address >> 8);
   
8.         cmd[3] = (uint8_t)(Address);
   
9.         
   
10.         /* Enable write operations */
    
11.         BSP_W25Qx_WriteEnable();
    
12.         
    
13.         /*Select the FLASH: Chip Select low */
    
14.         W25Qx_Enable();
    
15.         /* Send the read ID command */
    
16.         HAL_SPI_Transmit(&hspi2, cmd, 4, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);        
    
17.         /*Deselect the FLASH: Chip Select high */
    
18.         W25Qx_Disable();
    
19.         
    
20.         /* Wait the end of Flash writing */
    
21.         while(BSP_W25Qx_GetStatus() == W25Qx_BUSY);
    
22.         {
    
23.                 /* Check for the Timeout */
    
24.     if((HAL_GetTick() - tickstart) > W25Q128FV_SECTOR_ERASE_MAX_TIME)
    
25.     {        
    
26.                         return W25Qx_TIMEOUT;
    
27.     }
    
28.         }
    
29.         return W25Qx_OK;
    
30. }

复制代码

例程测试
重新定义printf函数
在 stm32f1xx_hal.c中包含#include <stdio.h>

1. #include "stm32f4xx_hal.h"
   
2. #include <stdio.h>
   
3. extern UART_HandleTypeDef huart1;   //声明串口

复制代码

在 stm32f1xx_hal.c 中重写fget和fput函数

1. /**
   
2.   * 函数功能: 重定向c库函数printf到DEBUG_USARTx
   
3.   * 输入参数: 无
   
4.   * 返 回 值: 无
   
5.   * 说    明：无
   
6.   */
   
7. int fputc(int ch, FILE *f)
   
8. {
   
9.   HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
   
10.   return ch;
    
11. }
    
12. 
    
13. /**
    
14.   * 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx
    
15.   * 输入参数: 无
    
16.   * 返 回 值: 无
    
17.   * 说    明：无
    
18.   */
    
19. int fgetc(FILE *f)
    
20. {
    
21.   uint8_t ch = 0;
    
22.   HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
    
23.   return ch;
    
24. }

复制代码

main.c
在main.c里添加以下代码：

1. #include <string.h>
   
2. #include "W25QXX.h"
   
3. 
   
4. 
   
5. 
   
6. uint8_t wData[0x100];
   
7. uint8_t rData[0x100];
   
8. uint32_t i;
   
9. uint8_t ID[2];
   

复制代码

1. printf("\r\n SPI-W25Qxxx Example \r\n\r\n");
   
2. 
   
3.   /*##-1- Read the device ID  ########################*/
   
4. 
   
5.   BSP_W25Qx_Init();
   
6.   BSP_W25Qx_Read_ID(ID);
   
7. 
   
8.   printf(" W25Qxxx ID is : 0x%02X 0x%02X \r\n\r\n",ID[0],ID[1]);
   
9.   /*##-2- Erase Block ##################################*/
   
10.   if(BSP_W25Qx_Erase_Block(0) == W25Qx_OK)
    
11.       printf(" SPI Erase Block ok\r\n");
    
12.   else
    
13.       Error_Handler();
    
14.   /*##-3- Written to the flash ########################*/
    
15.   /* fill buffer */
    
16.   for(i =0;i<0x100;i ++)
    
17.   {
    
18.           wData<i> = i;
    
19.         rData<i> = 0;
    
20.   }
    
21. if(BSP_W25Qx_Write(wData,0x00,0x100)== W25Qx_OK)
    
22.       printf(" SPI Write ok\r\n");
    
23.   else
    
24.       Error_Handler();
    
25.   /*##-4- Read the flash     ########################*/
    
26. 
    
27.   if(BSP_W25Qx_Read(rData,0x00,0x100)== W25Qx_OK)
    
28.       printf(" SPI Read ok\r\n\r\n");
    
29.   else
    
30.       Error_Handler();
    
31.   printf("SPI Read Data : \r\n");
    
32.   for(i =0;i<0x100;i++)
    
33.       printf("0x%02X  ",rData<i>);
    
34.   printf("\r\n\r\n");
    
35.   /*##-5- check date          ########################*/   
    
36.   if(memcmp(wData,rData,0x100) == 0 )
    
37.       printf(" W25Q128FV SPI Test OK\r\n");
    
38.   else
    
39.       printf(" W25Q128FV SPI Test False\r\n");
    
40. </i></i></i>

复制代码

STM32F103测试正常：