1.SPI总线及W25QXX芯片

1.1 SPI总线简介

SPI全称Serial Peripheral Interface，即串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在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是一种高速的、全双工、同步通讯总线，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的布局节省空间提供了方便，正是这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通讯协议。下图是SPI内部结构简易图

( j" {8 T% j7 k6 s: ~2 D

3 y3 l; R  U1 g2 c5 |8 H& k. r( y

从上图可以看出，主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输，寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从设备，从设备也将自已的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主设备。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时同步完成的，如果只进行写操作，主设备只需要忽略接收到的字节，如果主设备要进行读操作，就必须发送一个空字节来引发从设备的传输。

SPI接口一般使用4条线通讯，单向传输时也可以使用3条线，其中3条线为SPI总线（MISO,MOSI,SCLK），1条为SPI片选信号线（CS），它们的作用如下：

8 i. O. I" [( y* ]7 @7 ?
• 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
  
  , `5 a/ z) q, c6 Q! P( @/ @5 m
• CS:从设备片选信号，由主设备控制
  
  9 f8 S; m, v% p/ k
  & m* c" A' r2 y5 m

SPI使用MOSI/MISO信号线来传输数据，使用SCLK信号线进行数据同步。MOSI/MISO数据线在SCLK的每个时钟周期传输1位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行没有硬性规定，但是两个SPI通讯设备之间必须使用同样的协定，一般都会采用MSB先行模式。
当有多个SPI从设备与SPI主设备相连时，设备的MOSI/MISO/SCLK信号线并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用者3条总线；而每个从设备都有独立的1条CS信号线，该信号线独占主设备的一个引脚，即有多少个从设备就有多少条片选信号线。当主设备要选择从设备时，把该从设备的CS信号线设置为低电平，该从设备即被选中（片选有效），接着主设备开始与从设备进行SPI通讯。
SPI总线根据时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的配置不同，可以有四种工作方式：

$ N: ?* U4 j  a" L, A8 `# U
• CPOL=0:串行同步时钟的空闲状态为低电平
• CPOL=1:串行同步时钟的空闲状态为高电平
• CPHA=0:在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样
  
  $ D4 h3 Y  b  r# i+ T/ R
• CPHA=1:在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
  
  
  

1.2 W25QXX芯片简介

W25QXX芯片是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，该系列有W25Q16/32/62/128等。本例程使用W25Q64，W25Q64容量为64Mbits（8M字节）：8MB的容量分为128个块(Block)（块大小为64KB），每个块又分为16个扇区(Sector)（扇区大小为4KB）；W25Q64的最小擦除单位为一个扇区即4KB，因此在选择芯片的时候必须要有4K以上的SRAM（可以开辟4K的缓冲区）。W25Q64的擦写周期多达10万次，具有20年的数据保存期限。下表是W25QXX的常用命令表

  I# A2 V' U1 v2 Z7 C5 R7 {

2.硬件设计

D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP按键用来控制W25Q64数据写入，K_DOWN按键用来控制W25Q64数据读取，串口1用来打印写入和读取的数据信息

+ l" u( d0 m: ]( y7 u  g+ A
• 指示灯D1
• USART1串口
• W25Q64
  
  
• K_UP和K_DOWN按键
  ) M! b1 l/ w3 A. I  |
  
  # m2 C$ S6 z, p- N* m9 j1 L* E
  

& a+ R9 f9 u# d' k

/ d; B/ I: Q! c+ `2 z( S

3.软件设计

3.1 STM32CubeMX设置

➡️ RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

➡️ PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平

➡️ USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位

➡️ PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE3设置为GPIO输入模式、上拉模式

➡️ PG13设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速（片选引脚）

➡️ 激活SPI2，不开启NSS，数据长度8位，MSB先输出，分频因子256，CPOL为HIGH，CPHA为第二个边沿，不开启CRC检验，NSS为软件控制

➡️输入工程名，选择路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3 d3 U$ m5 l. q3 o( O

3.2 MDK-ARM软件编程

➡️ 在spi.c文件下可以看到SPI2的初始化函数，片选管脚的初始化在gpio.c中

1. void MX_SPI2_Init(void){
   
2.   hspi2.Instance = SPI2;
   . G7 T, D. V& O1 G, o' U
3.   hspi2.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;//设置为主模式
   / P9 W4 }2 b  l/ W: N
4.   hspi2.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;//双线模式
   
5.   hspi2.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;//8位数据长度
   
6.   hspi2.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;//串行同步时钟空闲状态为高电平
   
7.   hspi2.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;//第二个跳变沿采样
   6 ^! U; D) v6 ~+ a# Q
8.   hspi2.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;//NSS软件控制
   6 b1 `2 \: ~* y
9.   hspi2.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//分配因子256
   
10.   hspi2.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;//MSB先行
    
11.   hspi2.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;//关闭TI模式
      n3 e7 L  R; X3 r5 I
12.   hspi2.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验
    
13.   hspi2.Init.CRCPolynomial = 10;
    
14.   if (HAL_SPI_Init(&hspi2) != HAL_OK){
    
15.     Error_Handler();
    0 F6 {9 K0 `0 b6 t" P9 P& B  v
16.   }
    
17. }
    
18. 
    4 R/ d) Q& F( ^  \  e
19. void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle){
    ) V) D  G2 `3 I& W( A8 V
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
21.   if(spiHandle->Instance==SPI2){
    : ~* S. J1 {. f  o& q
22.   __HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE();  
    
23.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    " [% F/ M( S2 R: ~7 i0 d
24.   /**SPI2 GPIO Configuration   
    
25.   PB13     ------> SPI2_SCK
      K! @2 S, T, ]- Y7 T8 o$ i; l
26.   PB14     ------> SPI2_MISO
    ; F8 L5 i6 b: w# p9 H% M  ~
27.   PB15     ------> SPI2_MOSI */
    * t5 ~& L$ B! |: ]- C
28.   GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_15;
    * S7 }, `; o2 y) x: R2 z8 ]5 X
29.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    
30.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
31.   HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    ( A5 C: e- d! i1 U% ~- ~' a
32.   GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;
    
33.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    $ `0 i' o) H2 {0 W1 |
34.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    8 `7 r8 F! r5 P& \& ~7 w
35.   HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    
36.   }
    
37. }

复制代码

➡️ 创建按键驱动文件key.c 和相关头文件key.h

➡️ 创建包含W25Q64芯片的相关操作函数及驱动函数的文件w25qxx.c和w25qxx.h，这里仅介绍几个重要的函数，源文件下载方式见文末介绍

1. //这里仅介绍几个重要的函数
   
2. void W25QXX_Init(void){
   3 q. k) r" X4 [, r( S" i, u- p2 I
3.   W25Qx_Disable();
   . r  E8 }7 y7 s; m
4.   W25QXX_TYPE = W25QXX_ReadID();//读取芯片ID
   $ k) J* N, M, x0 d! d
5.   printf("FLASH ID:%X\r\n",W25QXX_TYPE);
   : Q$ R7 W4 m* O9 n
6.   if(W25QXX_TYPE == 0xc816)
   
7.     printf("FLASH TYPE:W25Q64\r\n");
   
8. }
   ; s. r3 Y% j9 w" j  g- C- P
9. 
   
10. uint16_t W25QXX_ReadID(void){
    3 {5 U3 |8 |0 K
11.   uint16_t ID;
    ' O" u3 Q) v$ q/ T; {3 p, U
12.   uint8_t id[2]={0};
    
13.   uint8_t cmd[4] = {W25X_ManufactDeviceID,0x00,0x00,0x00};//读取ID命令       
    
14.   W25Qx_Enable();//使能器件
    7 ?/ u, ^5 _* s5 @
15.   HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);
    
16.   HAL_SPI_Receive(&hspi2,id,2,1000);
    
17.   W25Qx_Disable();//取消片选       
    
18.   ID = (((uint16_t)id[0])<<8)|id[1];
    
19.   return ID;
    - ^: U' l1 z. o" [
20. }
    & i" l; l, u: a  H0 d1 I- A
21. 
    8 U8 b1 Y& o& n6 D) q5 C" N4 q
22. void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead){
    
23.   uint8_t cmd[4] = {0};
    
24.   cmd[0] = W25X_ReadData;//读取命令
    9 G+ }! |: d, h( T
25.   cmd[1] = ((uint8_t)(ReadAddr>>16));
    ' g- P1 h1 V) s' t4 B
26.   cmd[2] = ((uint8_t)(ReadAddr>>8));
    
27.   cmd[3] = ((uint8_t)ReadAddr);
    ( J% W% M( F$ g' R9 B3 }. W
28. 
    
29.   W25Qx_Enable();//使能器件
    
30.   HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);
    
31.   HAL_SPI_Receive(&hspi2,pBuffer,NumByteToRead,1000);
      |2 y  X0 _6 z/ W5 a5 T" T" E
32.   W25Qx_Disable();//取消片选       
    
33. }
    
34. 
    
35. void W25QXX_Write(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite){
    
36.   uint32_t secpos;
    
37.   uint16_t secoff;
    - s* G1 O* j4 f- Z. J( i7 d
38.   uint16_t secremain;
    
39.   uint16_t i;
    
40.   uint8_t *W25QXX_BUF;
    2 {+ |' p3 }- L8 a1 ?
41.        
    9 z) d) e6 a- h! e( {
42.   W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER;
    ' i9 ^/ w% d, a" |) x& U! I" r% C
43.   secpos = WriteAddr/4096;        //扇区地址
    
44.   secpos = WriteAddr%4096;        //在扇区里的偏移
    % L4 F2 h0 [# K! O
45.   secremain = 4096-secoff;        //扇区剩余空间大小
    
46.   printf("WriteAddr:0x%X,NumByteToWrite:%d\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);
    
47.   if(NumByteToWrite <= secremain)  //不大于4K字节
    
48.     secremain = NumByteToWrite;
    ! W- x8 O( R, ^9 ~
49.   while(1){
    
50.     W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读取整个扇区内容
    9 p/ G2 X+ C  b9 u
51.     for(i=0;i<secremain;i++){//校验数据
    
52.       if(W25QXX_BUF[secoff+i] != 0xff)//需要擦除
    3 h+ Z* j7 B/ B
53.         break;
    
54.     }
    
55.                
    
56.     if(i < secremain){//需要擦除
    ) c1 ~/ M  {9 N* g
57.       W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除扇区
    ' W' H* R- _! y( s) Z
58.       for(i=0;i<secremain;i++){
    $ N2 {- E! W. J6 h; U7 ^
59.         W25QXX_BUF[i+secoff] = pBuffer[i];
    
60.       }
    
61.       W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区
    
62.     }
    6 d0 t7 `* e/ V5 m; I
63.     else{
    
64.       W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写入扇区剩余空间
    3 q" v& q4 y) u% P* y) c+ V
65.     }
    4 b! U6 \, t. ?0 X  b1 q
66.                
    0 P, I# S+ N) V
67.     if(NumByteToWrite == secremain){//写入结束了
    " ~3 f( _) J+ r2 _  s- V4 q
68.       break;
      _; J0 {' j+ v6 @( N" r2 L$ U
69.     }
    4 f  N6 U/ i! `" m0 k* L; F6 v
70.     else{        //写入未结束
    6 m/ x8 b, |7 f* X' b9 o
71.       secpos++;        //扇区地址增1
    
72.       secoff = 0;                //偏移位置为0               
    
73.       pBuffer += secremain;        //指针偏移
    4 y8 l! M$ ?4 p4 P; G
74.       WriteAddr += secremain;        //写地址偏移
    
75.       NumByteToWrite -= secremain;//字节数递减
    5 u+ I+ ]0 I. V* m6 F5 j. o% i" W
76.       if(NumByteToWrite > 4096)               
    6 s$ q7 P1 ^9 F, A0 g; V$ c
77.         secremain = 4096;        //下个扇区还没是写不完
    
78.       else
    
79.         secremain = NumByteToWrite;//下个扇区可以写完了
    & a2 ~; o  @3 A% Q5 v
80.     }
    % M3 {- l9 y+ R: O6 Y# r
81.   }
    
82. }

复制代码

➡️ 在main.c文件下编写SPI测试代码

1. /* USER CODE BEGIN PV */
   
2. uint8_t wData[0x100];
   
3. uint8_t rData[0x100];
   * t, `: {6 V* n- _' \
4. uint32_t i;
   ( P; [9 Q" a" s1 O0 j8 s
5. /* USER CODE END PV */
   
6. int main(void){
   * V$ Z/ `" t4 R8 B
7.   /* USER CODE BEGIN 1 */
   ! |! b. j1 j0 H2 X5 H
8.   uint8_t key;
   ; i7 a' K$ y* R8 _. E: {$ i' v( X
9.   /* USER CODE END 1 */
   ) _9 y6 o# g1 F! ]
10.   HAL_Init();
    6 |/ I, q8 c5 R5 C
11.   SystemClock_Config();
    ( w) H+ h* U$ x/ L% ?, n
12.   MX_GPIO_Init();
    ' C: _& Z) s- y" x0 T9 C7 X! m
13.   MX_SPI2_Init();
    $ b0 e. e+ I( h* _
14.   MX_USART1_UART_Init();
    , I$ L$ l: T( J1 t, |1 r% U
15.   /* USER CODE BEGIN 2 */
    . u, `6 k! ?' R6 t3 @
16.   W25QXX_Init();
    # N9 v7 b4 d+ d" ~$ U! }9 Y3 e
17.   for(i=0;i<0x100;i++){
    / c, R$ y8 Z2 w' ~1 P1 i/ K2 g5 V
18.     wData[i] = i;
    
19.     rData[i] = 0;
    
20.   }       
    : a# ?) ~+ p# R2 h8 q! q# N; u. H
21.   /* USER CODE END 2 */
    
22.   while (1){
    
23.     key = KEY_Scan(0);
    
24.     if(key == KEY_UP_PRES){
    
25.       printf("KEY_UP_PRES write data...\r\n");
    $ [; W# O6 C3 L$ y3 Q
26.       W25QXX_Erase_Sector(0);
    
27.       W25QXX_Write(wData,0,256);               
    " u7 k6 [. z' o# L0 G: E6 q- j
28.     }
    
29.                        
    * M7 h0 |7 w: [+ b) D
30.     if(key == KEY_DOWN_PRES){
    , E# v- R5 o$ Q- f0 J5 j7 D
31.       printf("KEY_DOWN_PRES read data...\r\n");
    , B! O0 b3 W" ]# y# F
32.       W25QXX_Read(rData,0,256);
    
33.       for(i=0;i<256;i++){
    
34.         printf("0x%02X ",rData[i]);
    
35.       }
    
36.     }
    1 @& D% g! @. i; _6 v
37.                
    
38.     HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
    4 U% o1 ^: f8 c6 b) q+ }
39.     HAL_Delay(200);
    - K/ F$ z) ?7 Y# P* d
40.   }
    
41. }

复制代码

4.下载验证

编译无误下载到开发板后，可以看到D1指示灯不断闪烁，当按下K_UP按键后数据写入到W25Q64芯片内，当按下K_DOWN按键后读取W25Q64芯片的值，同时串口打印出相应信息

" B7 a0 s) w5 G& T9 A# T
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- [( W/ R! z# E* C$ [4 k