【STM32Cube-18】使用硬件QSPI读写SPI Flash（W25Q64）

本篇详细的记录了如何使用STM32CubeMX配置STM32L431RCT6的硬件QSPI外设与 SPI Flash 通信（W25Q64）。

1. 准备工作

硬件准备

• 开发板
  首先需要准备一个开发板，这里我准备的是STM32L4的开发板（BearPi）：

• SPI Flash
  小熊派开发板板载一片SPI Flash，型号为 W25Q64，大小为 8 MB，最大支持 80 Mhz的操作频率。

软件准备

• 需要安装好Keil - MDK及芯片对应的包，以便编译和下载生成的代码；

• 准备一个串口调试助手，这里我使用的是Serial Port Utility；

2.生成MDK工程

选择芯片型号

打开STM32CubeMX，打开MCU选择器：

搜索并选中芯片STM32L431RCT6:

配置时钟源

• 如果选择使用外部高速时钟（HSE），则需要在System Core中配置RCC；

• 如果使用默认内部时钟（HSI），这一步可以略过；

这里我都使用外部时钟：

配置串口

小熊派开发板板载ST-Link并且虚拟了一个串口，原理图如下：

这里我将开关拨到AT-MCU模式，使PC的串口与USART1之间连接。

接下来开始配置USART1：

配置QSPI接口

首先查看小熊派开发板上 SPI Flash 的原理图：

其引脚连接情况如下：

接下来配置 QSPI 接口：

配置时钟树

STM32L4的最高主频到80M，所以配置PLL，最后使HCLK = 80Mhz即可：

生成工程设置

代码生成设置

最后设置生成独立的初始化文件：

生成代码

点击GENERATE CODE即可生成MDK-V5工程：

3. 在MDK中编写、编译、下载用户代码

重定向printf( )函数

参考： 【STM32Cube_09】重定向printf函数到串口输出的多种方法。

4. 封装 SPI Flash（W25Q64）的命令和底层函数

MCU 通过向 SPI Flash 发送各种命令 来读写 SPI Flash内部的寄存器，所以这种裸机驱动，首先要先宏定义出需要使用的命令，然后利用 HAL 库提供的库函数，封装出三个底层函数，便于移植：

• 向 SPI Flash 发送命令的函数

• 向 SPI Flash 发送数据的函数

• 从 SPI Flash 接收数据的函数

接下来开始编写代码~

宏定义操作命令

#define ManufactDeviceID_CMD 0x90

#define READ_STATU_REGISTER_1 0x05

#define READ_STATU_REGISTER_2 0x35

#define READ_DATA_CMD 0x03

#define WRITE_ENABLE_CMD 0x06

#define WRITE_DISABLE_CMD 0x04

#define SECTOR_ERASE_CMD 0x20

#define CHIP_ERASE_CMD 0xc7

#define PAGE_PROGRAM_CMD 0x02

封装发送命令的函数（重点）

/**

* @brief 向SPI Flash发送指令

* @param instruction —— 要发送的指令

* @param address —— 要发送的地址

* @param dummyCycles —— 空指令周期数

* @param instructionMode —— 指令发送模式

* @param addressMode —— 地址发送模式

* @param addressSize —— 地址大小

* @param dataMode —— 数据发送模式

* @retval 成功返回HAL_OK

*/

HAL_StatusTypeDef QSPI_Send_Command(uint32_t instruction,

uint32_t address,

uint32_t dummyCycles,

uint32_t instructionMode,

uint32_t addressMode,

uint32_t addressSize,

uint32_t dataMode)

{

QSPI_CommandTypeDef cmd;

cmd.Instruction = instruction; //指令

cmd.Address = address; //地址

cmd.DummyCycles = dummyCycles; //设置空指令周期数

cmd.InstructionMode = instructionMode; //指令模式

cmd.AddressMode = addressMode; //地址模式

cmd.AddressSize = addressSize; //地址长度

cmd.DataMode = dataMode; //数据模式

cmd.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD; //每次都发送指令

cmd.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无交替字节

cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE; //关闭DDR模式

cmd.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;

return HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 5000);

}

封装发送数据的函数

/**

* @brief QSPI发送指定长度的数据

* @param buf —— 发送数据缓冲区首地址

* @param size —— 要发送数据的字节数

* @retval 成功返回HAL_OK

*/

HAL_StatusTypeDef QSPI_Transmit(uint8_t* send_buf, uint32_t size)

{

hqspi.Instance->DLR = size - 1; //配置数据长度

return HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, send_buf, 5000); //接收数据

}

封装接收数据的函数

/**

* @brief QSPI接收指定长度的数据

* @param buf —— 接收数据缓冲区首地址

* @param size —— 要接收数据的字节数

* @retval 成功返回HAL_OK

*/

HAL_StatusTypeDef QSPI_Receive(uint8_t* recv_buf, uint32_t size)

{

hqspi.Instance->DLR = size - 1; //配置数据长度

return HAL_QSPI_Receive(&hqspi, recv_buf, 5000); //接收数据

}

5. 编写W25Q64的驱动程序

接下来开始利用上一节封装的宏定义和底层函数，编写W25Q64的驱动程序：

读取Manufacture ID和Device ID

读取 Flash 内部这两个ID有两个作用：

检测SPI Flash是否存在

可以根据ID判断Flash具体型号

数据手册上给出的操作时序如图：

根据该时序，编写代码如下：

/**

* @brief 读取Flash内部的ID

* @param none

* @retval 成功返回device_id

*/

uint16_t W25QXX_ReadID(void)

{

uint8_t recv_buf[2] = {0}; //recv_buf[0]存放Manufacture ID, recv_buf[1]存放Device ID

uint16_t device_id = 0;

if(HAL_OK == QSPI_Send_Command(ManufactDeviceID_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE))

{

//读取ID

if(HAL_OK == QSPI_Receive(recv_buf, 2))

{

device_id = (recv_buf[0] << 8) | recv_buf[1];

return device_id;

}

else

{

return 0;

}

}

else

{

return 0;

}

}

读取数据

SPI Flash读取数据可以任意地址（地址长度32bit）读任意长度数据（最大 65535 Byte），没有任何限制，数据手册给出的时序如下：

根据该时序图编写代码如下：

/**

* @brief 读取SPI FLASH数据

* @param dat_buffer —— 数据存储区

* @param start_read_addr —— 开始读取的地址(最大32bit)

* @param byte_to_read —— 要读取的字节数(最大65535)

* @retval none

*/

void W25QXX_Read(uint8_t* dat_buffer, uint32_t start_read_addr, uint16_t byte_to_read)

{

QSPI_Send_Command(READ_DATA_CMD, start_read_addr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);

QSPI_Receive(dat_buffer, byte_to_read);

}

读取状态寄存器数据并判断Flash是否忙碌

上文中提到，SPI Flash的所有操作都是靠发送命令完成的，但是 Flash 接收到命令后，需要一段时间去执行该操作，这段时间内 Flash 处于“忙”状态，MCU 发送的命令无效，不能执行，在 Flash 内部有2-3个状态寄存器，指示出 Flash 当前的状态，有趣的一点是：

当 Flash 内部在执行命令时，不能再执行 MCU 发来的命令，但是 MCU 可以一直读取状态寄存器，这下就很好办了，MCU可以一直读取，然后判断Flash是否忙完：

首先读取状态寄存器的代码如下：

/**

* @brief 读取W25QXX的状态寄存器，W25Q64一共有2个状态寄存器

* @param reg —— 状态寄存器编号(1~2)

* @retval 状态寄存器的值

*/

uint8_t W25QXX_ReadSR(uint8_t reg)

{

uint8_t cmd = 0, result = 0;

switch(reg)

{

case 1:

/* 读取状态寄存器1的值 */

cmd = READ_STATU_REGISTER_1;

case 2:

cmd = READ_STATU_REGISTER_2;

case 0:

default:

cmd = READ_STATU_REGISTER_1;

}

QSPI_Send_Command(cmd, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);

QSPI_Receive(&result, 1);

return result;

}

然后编写阻塞判断Flash是否忙碌的函数：

/**

* @brief 阻塞等待Flash处于空闲状态

* @param none

* @retval none

*/

void W25QXX_Wait_Busy(void)

{

while((W25QXX_ReadSR(1) & 0x01) == 0x01); // 等待BUSY位清空

}

写使能/禁止

Flash 芯片默认禁止写数据，所以在向 Flash 写数据之前，必须发送命令开启写使能，数据手册中给出的时序如下：

编写函数如下：

/**

* @brief W25QXX写使能,将S1寄存器的WEL置位

* @param none

* @retval

*/

void W25QXX_Write_Enable(void)

{

QSPI_Send_Command(WRITE_ENABLE_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_8_BITS, QSPI_DATA_NONE);

W25QXX_Wait_Busy();

}

/**

* @brief W25QXX写禁止,将WEL清零

* @param none

* @retval none

*/

void W25QXX_Write_Disable(void)

{

QSPI_Send_Command(WRITE_DISABLE_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_8_BITS, QSPI_DATA_NONE);

W25QXX_Wait_Busy();

}

擦除扇区

SPI Flash有个特性：

数据位可以由1变为0，但是不能由0变为1。

所以在向 Flash 写数据之前，必须要先进行擦除操作，并且 Flash 最小只能擦除一个扇区，擦除之后该扇区所有的数据变为 0xFF（即全为1），数据手册中给出的时序如下：

根据此时序编写函数如下：

/**

* @brief W25QXX擦除一个扇区

* @param sector_addr —— 扇区地址 根据实际容量设置

* @retval none

* @note 阻塞操作

*/

void W25QXX_Erase_Sector(uint32_t sector_addr)

{

sector_addr *= 4096; //每个块有16个扇区，每个扇区的大小是4KB，需要换算为实际地址

W25QXX_Write_Enable(); //擦除操作即写入0xFF，需要开启写使能

W25QXX_Wait_Busy(); //等待写使能完成

QSPI_Send_Command(SECTOR_ERASE_CMD, sector_addr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_NONE);

W25QXX_Wait_Busy(); //等待扇区擦除完成

}

页写入操作

向 Flash 芯片写数据的时候，因为 Flash 内部的构造，可以按页写入：

页写入的时序如图：

编写代码如下：

/**

* @brief 页写入操作

* @param dat —— 要写入的数据缓冲区首地址

* @param WriteAddr —— 要写入的地址

* @param byte_to_write —— 要写入的字节数（0-256）

* @retval none

*/

void W25QXX_Page_Program(uint8_t* dat, uint32_t WriteAddr, uint16_t byte_to_write)

{

W25QXX_Write_Enable();

QSPI_Send_Command(PAGE_PROGRAM_CMD, WriteAddr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);

QSPI_Transmit(dat, byte_to_write);

W25QXX_Wait_Busy();

}

6. 测试驱动

在 main.c 函数中编写代码，测试驱动：

首先定义两个缓存：

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN 0 */

uint8_t dat[11] = "mculover666";

uint8_t read_buf[11] = {0};

/* USER CODE END 0 */

然后在 main 函数中编写代码：

/* USER CODE BEGIN 2 */

printf("Test W25QXX...rn");

device_id = W25QXX_ReadID();

printf("device_id = 0x%04Xrnrn", device_id);

/* 为了验证，首先读取要写入地址处的数据 */

printf("-------- read data before write -----------rn");

W25QXX_Read(read_buf, 5, 11);

printf("read date is %srn", (char*)read_buf);

/* 擦除该扇区 */

printf("-------- erase sector 0 -----------rn");

W25QXX_Erase_Sector(0);

/* 写数据 */

printf("-------- write data -----------rn");

W25QXX_Page_Program(dat, 5, 11);

/* 再次读数据 */

printf("-------- read data after write -----------rn");

W25QXX_Read(read_buf, 5, 11);

printf("read date is %srn", (char*)read_buf);

/* USER CODE END 2 */

测试结果如下：

至此，我们已经学会如何使用硬件QSPI接口读写SPI Flash的数据，下一节将讲述如何使用硬件SDMMC接口读取SD卡数据。