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
7 @; B8 B! q8 c% j
3. 原理图8 B8 A8 N, N) f8 y+ p, X

! b6 d* j( g+ P3 K) g8 @7 B

" ]2 ?0 p5 ]3 R) u+ z# H* g0 C$ y& T! ^# R: m* [+ P
4. 内部结构框架图
* K# f2 ^9 }9 `; |
8 ]! @1 V v, z& k. |! Q; B: m8 C

6 m: k$ n& C; F5 b- Z b4 H4 o2 a' a( S$ X( l1 [
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
: s9 Z4 x1 l5 f" X' a/ v1. 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。
. w/ j U& \) U9 h* F6 s8 ]% p
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 ( Q4 \ N6 N& i4 J
{/ ^. r: M/ x, m4 g+ d# x
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
5 M$ u: A2 k- M) b7 |
W25QXX_ReadWriteByte(0x06); //写入1字节操作命令0 U, g) i- W; i& G; g) `5 N; y. Q; v
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片
9 `+ U' v! J4 e$ D7 g2 D% Q
}

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
" r) l/ h6 X! c1 k6 h
uint8_t W25QXX_ReadSR(void)//读取状态寄存器! C/ G8 S1 r) ~' a7 U
{
, ?# m* S( K. s6 l
uint8_t data=0; f7 r& p) j3 {- L" H
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
! }1 B8 z2 H9 ~9 v, b" E! `5 J
W25QXX_ReadWriteByte(0x05); //写入1字节操作命令
, L+ v% p8 |& e4 n; V( h D% v# |
data=W25QXX_ReadWriteByte(0Xff); //读取1字节数据
; x8 s7 r& o7 h: \- Q
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选. n; D5 L* `, K
return data;
/ {% S0 H3 C$ q" }
}
% H6 A/ w5 g% E) u- K9 w' y) M
$ U# |2 F# a5 f. c: w
//写入1字节数据4 Q" r, o( g3 S: G4 M* N
void W25QXX_WriteSR(uint8_t data)//写状态寄存器# F6 V6 P1 E, p
{
- I3 a: V! ~" y- u* [" _
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片9 r t: C: b" m% y2 `8 S2 Q
W25QXX_ReadWriteByte(0x01); //写入1字节操作命令
- ?% W) @- ^# W
W25QXX_ReadWriteByte(data); //写入1字节数据# i2 R5 a! o% ~0 K3 K, ]1 c/ M. d( T
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选
& @2 |% r* C9 B) g) A. P* a3 a, g2 @
}
& `3 K/ l3 `+ \) c; a) Y, o

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# {0 e* Q H) q8 a
{
" e J/ E0 p$ y! l
uint16_t ID = 0;
]" b [4 b0 {/ V z; `8 ?
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片 # Q) Q3 m3 `' }2 h# S
W25QXX_ReadWriteByte(0x90); //发送读取ID命令
- a+ m8 z! _0 g: n9 n
W25QXX_ReadWriteByte(0x00); 3 K% R8 ]2 e7 G; p1 h6 E
W25QXX_ReadWriteByte(0x00);
9 d! H8 }0 M8 l0 ?
W25QXX_ReadWriteByte(0x00); 1 K& x! P. O- A/ `
ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF)<<8; . e, w2 c) |9 P' y- d* |! ^: b8 j1 n
ID|=W25QXX_ReadWriteByte(0xFF); 3 d" y1 j7 ~, ~2 S* U! R1 k! N
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---取消片选
$ d/ C5 y2 L, @5 A6 C1 ? \
return ID;- z4 L9 U! q+ B3 M6 k
}

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1 x! o" [' ^9 i: Q$ [: Z8 v" T: L0 ^
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead) . ~. A' `+ ?- n0 B& [6 ?" }
{ ( ~4 l( n7 K; u4 p
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
% y9 A; q* j; e4 q" _
W25QXX_ReadWriteByte(0x03); //发送读取命令 - \/ S6 ~; r$ X6 j4 _4 M+ Q+ a. b
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址
$ K: f% g1 c2 [- H
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8)); % |; n! W8 Q: \+ B/ q2 V
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr);
/ p' X4 a S$ \+ T, q0 u4 @
for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据1 O# p! z, @# q% l/ d% h
{ # e1 i6 l. m: C4 n7 T4 ]
pBuffer<i>=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
6 n' ?3 _7 k8 \3 s- R4 X2 h$ V$ A
}5 j. l5 V3 @6 r5 T
W25QXX_CS(1);
5 @* c# D+ N& d1 ^- c! O
} 7 j7 J: D' m2 L
: Q, d& Q. F9 g) X, c. s" f3 ]: S
//写入数据
' V) {# R) ^- X8 J4 v( c# y
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
: P0 {+ @( B2 n/ x5 l' `; e
{3 y- w( ^* _; H+ L; w& w
W25QXX_Write_Enable(); //写使能
+ H& i- X$ \0 ~; @+ t3 A+ H, ?
W25QXX_CS(0); //使能器件 8 m0 ?5 D1 V* T2 [$ E- e8 q
W25QXX_ReadWriteByte(0x02); //发送页写命令 / l, r$ |& l3 i4 M, O) x) n
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址 ) V% K0 n7 n& t6 D
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8)); 0 f, Z+ E# f$ _
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);
c' _- X' j- Y9 p. @
for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据$ q. t- c3 h% m/ k$ d, u
{
& T. D- h r( g# Q: }1 Z5 s
W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer<i>);//循环写数
* H. ?6 G5 v. d L
}8 t6 u, K. {. l) x
W25QXX_CS(1); //取消片选
4 k$ B6 u$ V# ^2 [: h+ Z/ a/ x5 z) M& h
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束
! `! r+ z8 x; @, @" _+ C8 |
} </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 , ~# j- C8 m& U4 y; ]4 g+ o
void W25QXX_Enter_4Byte()1 x* c1 @* T7 U0 \* `+ t
{
! T3 o) c$ H' @
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
% l0 d" ?) [$ C3 q
W25QXX_ReadWriteByte(0xB7); //写入1字节操作命令
* S, D& G! r* E2 b1 q
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片" Y \+ D7 y F% }# Y- n6 U
}7 {. e# v/ Q- P) s9 A0 r. [: e
5 g6 K5 M/ c# l. H0 ?8 \( y, t
//退出4字节地址模式
8 [! ]! Q0 C) X4 T
void W25QXX_Exit_4Byte()
0 i5 U6 E" l! B! R7 C6 C% r4 q
{! ]7 ]0 ^ b8 C
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片
# `* B3 N8 t, L3 A0 Q( _
W25QXX_ReadWriteByte(0xE9); //写入1字节操作命令 L z3 v. c& A( B0 k `
W25QXX_CS(1); //拉高片选CS引脚---关闭芯片
0 z. B8 u5 v( {0 \, P
}" Y/ M- o8 \# K3 ]* O! P
& G3 N* O2 H5 d+ Z" c# J
//读取数据8 {- n# _0 _. ?, u! ^2 J
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)
4 S+ ^' U( {4 h5 _4 |5 @6 s
{ ! ~; I- M, o, K3 p
W25QXX_CS(0); //拉低片选CS引脚---使能芯片& q8 l; n7 |6 V( w; S1 r
W25QXX_ReadWriteByte(0x13); //发送4字节地址读取命令 1 K) `2 ?7 j& o
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址
1 |% t2 W$ S9 u
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>16)); " @7 L1 a6 ~" F2 k9 f" _/ Z
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((ReadAddr)>>8)); ! z- @; y. f# I# ?& W2 y Q0 A/ W
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)ReadAddr); - ^5 b/ W9 g1 Z5 C. e
for(uint16_t i=0;i<NumByteToRead;i++)//可读多个数据4 E1 W' z! g6 D, w) y( N
{ 2 e' d- X0 W( f1 [+ H3 }) V3 E
pBuffer=W25QXX_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
+ S& Z. `% K q. W; g
}
' D2 m5 q1 l3 k7 M5 N
W25QXX_CS(1); & C) a/ a7 W9 C$ g m
}
z, o4 M2 A* q' ?$ q3 U9 t
0 ]3 @, s7 l2 M! N" d$ ~. Q! ?4 N% K7 W
//写入数据
" n& [+ t7 a, X/ l! U$ |, b4 K9 @& o! L
void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
5 ^2 A( ? {0 j2 l; O( j2 l) Y' S, X
{
& a o3 j! A: M6 u& w! Z! d. o# k
W25QXX_Write_Enable(); //写使能
# F! t: X% R2 u9 W3 C
W25QXX_CS(0); //使能器件
4 a6 d+ }* P' l* I. E% H
W25QXX_ReadWriteByte(0x12); //发送4字节地址页写命令 ; A4 W5 {: v2 {( p* b" u$ M
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>24));//发送32bit地址
* y1 Z# B. r* Q2 O1 ]0 w: m
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>16)); 8 t7 q0 {" O5 X4 U: G h
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)((WriteAddr)>>8)); 3 g1 t2 M# A! i! M9 \; i0 S# X
W25QXX_ReadWriteByte((uint8_t)WriteAddr);
/ R4 c. h9 z& x$ b/ Z) e& ~
for(uint16_t i=0;i<NumByteToWrite;i++)//可写多个数据，最多256个字节一页数据
9 u# d! G1 }* D" G
{
' t& S1 q6 N; |
W25QXX_ReadWriteByte(pBuffer);//循环写数
+ k& G4 P: {' S
}; `1 z, R4 u' X
W25QXX_CS(1); //取消片选 * y( ?) q3 I9 T6 U0 }
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束
( D5 z! e" Q$ K0 g5 |
}