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

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STMCU小助手发布时间：2022-9-6 22:09

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文章简介:	STM32F103标准库开发---SPI实验---W25Qxx系列外部Flash芯片

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：

WVI1][T3@T_GHJ}Y0MIM@]D.png

2. 引脚接口
下面只介绍标准SPI接口，接口如下图所示：

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。

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。

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。

地：GND
电源地

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。

串行时钟引脚：CLK
SPI时钟引脚，为输入输出提供时序。

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。

电源：VCC
电源正极
d( n8 \. N) V" j" Y0 e
3. 原理图( v. v' x0 T: Y0 O6 v6 {

* }* R/ E) }; f+ I" P

2 N2 I4 k. w0 u) J; o2 @

; H( I7 u4 Y8 U$ E" C) G4. 内部结构框架图
2 O* F; m$ ^/ f0 q. Z+ g) Z5 n) X5 D2 F+ x

* S6 {$ l) R/ {7 R5 N- S
0 @: d& M# l4 F* ^8 D" J
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：
(@K3TTZBLL~]80ZD30Q4]64.png

二、W25Qxx系列芯片----工作原理
; J8 U4 [" V7 ~* t& c" F' N0 z) P. N' F1. 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

%C~@RNU[)_}Z@L2)QZFA5.png

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。
% b3 Z w: V; T! {
状态寄存器2

EBU]91I719ZNX5J~SI480EO.png

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

M7KOQ]@Q2E8YTH}`W]0NL2D.png

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 4 m2 L1 E* N9 N, w/ Y% J
{' V* }1 j* k, S$ X6 ?5 H! l
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片7 t& m* I; V" _4 c, V a5 C
W25QXX_ReadWriteByte(0x06); //写入1字节操作命令
3 ^+ U4 U9 x: c- A3 V
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片
: x/ e6 Z) c' D: W, L$ w4 m( W
}

复制代码

操作命令如下表所示：

B6K5[CC`CZQXLZSW{%%7QV2.png

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3 f* v( ~! r& {: j6 r: O$ {
uint8_t W25QXX_ReadSR(void)//读取状态寄存器
+ E" w0 P' g B& {& Q% C
{
) F0 t Z, m! f. q' g/ _
uint8_t data=0;
7 }. V x, y4 c o/ J
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片3 S7 R# b$ t; [- |, X' O% m Q
W25QXX_ReadWriteByte(0x05); //写入1字节操作命令
$ G$ }/ X/ F# U: Z8 `3 \* \! H( Z! Z, w
data=W25QXX_ReadWriteByte(0Xff); //读取1字节数据+ L0 r- K0 D$ z# t7 }% d
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选
( g$ Y8 T3 I t
return data;4 o" g8 ^3 A' {; V- @1 c, u
}
' ?) R& F) I: P0 w4 B8 }5 L
$ }- ~# x0 F$ O' v' V* _+ E# S- {
//写入1字节数据% X2 f5 w+ Q% I K, Y4 k) N. g
void W25QXX_WriteSR(uint8_t data)//写状态寄存器
/ K1 q4 Y: v1 A
{
) l3 n0 @& U$ Z
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
F/ Y4 P' }( R" n' Z
W25QXX_ReadWriteByte(0x01); //写入1字节操作命令# Y/ I2 n/ e, o3 z) {/ B1 T
W25QXX_ReadWriteByte(data); //写入1字节数据9 o" T& M8 d8 Q! C$ I
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选( F$ q4 O0 q+ V" O
}+ A3 t4 W$ `/ \ Q, m

复制代码

操作命令如下表所示：

M}40KHB2X}]JGPY1`RVOZGC.png

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! ]# g; @, f2 a! v7 Q! i
{
* e8 \- D, O& j
uint16_t ID = 0; 9 g& v. t7 h' h6 ]8 s- q
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片 ) O/ m5 x& r0 r3 c
W25QXX_ReadWriteByte(0x90); //发送读取ID命令
8 Y6 _: Y3 n. X' A* y
W25QXX_ReadWriteByte(0x00);
1 V; J8 ^- u- P" X2 y- x
W25QXX_ReadWriteByte(0x00);
8 H2 I& K) m, ^
W25QXX_ReadWriteByte(0x00); ) }) V$ u3 ^+ }. x
ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF)<<8; 4 d# u( m; r- f9 T' J0 v+ D3 m" n
ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF);
0 _) ^0 B4 T7 h
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选
% j) _5 a2 W! a" [
return ID;+ |, Q" w4 Z' ~- [% m
}

复制代码

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4 J# i& f. E/ W1 y/ c: Q" i
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead) " ~4 i6 S$ g1 J: h) k5 S
{
- J" N' u0 v& Q1 l) M
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片! f Y" o* A' Y
W25QXX_ReadWriteByte(0x03); //发送读取命令 7 T' l+ F4 _9 _
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址 / i' ^+ C6 O; n8 m" D- P- b+ V
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8)); # s: _3 P9 j! @$ j' G
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr); " J+ M7 u8 E* U' M/ h' o
for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据
2 F, \5 ?/ Q; S
{ ) t) K; H$ H) Z- D& M# [
pBuffer<i>=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
9 w2 D1 `+ {3 G" y6 Y7 @
}3 I! I; L9 t+ c; w# G) @0 F
W25QXX_CS(1); 6 R; r' O9 M$ v5 D/ D% o9 ?1 V+ z
} 2 G; V; p( H& x D) B$ }
5 M, D$ C7 c9 v' E- C' R
//写入数据
0 [7 W) [! A1 U$ K9 y
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)) Y8 Y: N- t+ M0 v" p! H6 [
{
- Y$ H" q: K4 f; c- l3 y: w& k' t
W25QXX_Write_Enable(); //写使能8 _$ J. [- `' [& ^: M4 k
W25QXX_CS(0); //使能器件
" B/ u6 Z1 Z/ L4 `9 T2 [8 Z
W25QXX_ReadWriteByte(0x02); //发送页写命令 J: }$ l4 ^! r8 U6 }# }4 u
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址
* r3 {3 o6 }/ l7 g
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8));
9 t# h4 A9 `/ S4 ~) T1 W* n
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);
8 J; ~+ O0 W; {1 |9 j, w6 _/ N* @
for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据
4 t* B1 W! K1 r2 J6 U
{
* L1 i3 b, c$ W8 C
W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer<i>);//循环写数
+ c' I) G- Q5 |7 a( n
}' Z1 ^' P& R3 g6 L& a
W25QXX_CS(1); //取消片选 / @" t5 P3 `4 y# V4 T
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束, w& {; Y9 I/ x; r& j; V4 E
} </i></i>

复制代码

操作命令如下表所示：
BM1@R5XOY96ST0QZ(X)BI0Y.png

$T%UQ7@4])){RN9[CCYV_D8Y.png$

4字节地址
具体代码如下：

//启用4字节地址模式 ' ^2 h7 [$ l! @
void W25QXX_Enter_4Byte()
8 k1 k' H1 T, t# N
{
0 h2 o Z" f8 x" G9 T
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
0 [& u& _7 C0 }! c I$ y) Q
W25QXX_ReadWriteByte(0xB7); //写入1字节操作命令" W# i" E9 q5 A
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片
" I: V/ P! {# B0 r4 c
}: E" h7 F2 f3 J, g8 h0 j ?
; a2 ]5 u$ F/ p* _4 m
//退出4字节地址模式
+ H5 @5 ~; `0 L4 f3 p% Y, w8 Z
void W25QXX_Exit_4Byte()
3 @- w4 r( }, s* `/ r0 ~# n2 z
{
. h, c. Z* n0 t& [! H; q) Q0 ~" m$ T
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片) i# a8 j/ o! T d0 D- B
W25QXX_ReadWriteByte(0xE9); //写入1字节操作命令! ]) N: Z1 c" |- G- o# Z
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片
' F% k- @2 j3 X# B
}
& n B. Q" ^4 ^% D( J2 k7 V! ]
/ V: `/ }! {7 |& Z5 t7 C- h- h1 T! |
//读取数据
1 W- u% `, D! n, U
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)
5 A6 S4 F* ?% }
{
: F( }( N; s+ r+ v# C' q* U- I5 N
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
0 }! y" ]% w- O. I: h& l U" f
W25QXX_ReadWriteByte(0x13); //发送4字节地址读取命令
. p2 h# s# B6 S- I
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址
( V* _8 D/ o4 T/ |5 W% w1 B
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16)); * _2 o( I- y1 Q- n, b: d1 Z
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8)); 8 \, [! F; z# e7 V4 Y# n. k
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr);
Z" @+ ^4 @ E' P: t* ]
for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据
+ L; k! ?. h2 [
{
& c8 c, s7 g$ k8 E9 s
pBuffer=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数 [9 r; G, V+ a7 p7 ~; ^
}5 M5 w( A( R. k$ z& ^0 u
W25QXX_CS(1); P+ k2 E5 k3 z' _: b8 c2 T, _! H0 m
}
+ u2 h# }' z+ P$ z
: Z+ \2 l8 t0 l3 K }
//写入数据
3 a3 {' ?4 F8 f1 P8 q1 b( q
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite): g2 a3 f( X3 e
{
L) ~3 }( f3 d s6 q
W25QXX_Write_Enable(); //写使能
" D, Y& e6 k! [3 |) T
W25QXX_CS(0); //使能器件
4 B, j. u! P* Y# w1 @: U* g
W25QXX_ReadWriteByte(0x12); //发送4字节地址页写命令
, B, S' S; Y, _ a) a4 I8 `
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址
( `" c) _ P5 I7 c
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16));
( u) i* c) o2 m' e) b
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8));
6 ~/ ~# v0 ]9 y2 ?
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);
+ A# G( J+ i" ^% e5 [: O" L* \% `
for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据
) _) b9 V: }$ i, g7 ~
{
+ @' s( S s M @
W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer);//循环写数
) U9 I* w- N/ B2 Y& x
}
* h f8 z/ m! d+ Z F) f9 P; r
W25QXX_CS(1); //取消片选
' G/ v" |5 e) o- U' U% U5 c6 e: k
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束" N- [6 M5 L& [) R* G! B" a. g. V. S
}