STM32的SPI的原理与使用(W25Q128附代码)

一、SPI介绍

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。

正是简单易用的特性，如NRF24L01、VS1053、SD卡等皆集成了这种通信协议

二、SPI接口框图

三、SPI优缺点

SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，低位在前，高位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。

信号线少，协议简单，相对数据速率高。

缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据

四、SPI工作原理总结

硬件上为4根线。

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。

串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。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。

多个设备使用SPI的应用举例

五、时序图

时序为 SPI_CR1 寄存器中的 LSBFIRST 位复位时的时序

SPI_CPHA的值将会影响SPI_CPOL的值

六、SPI程序编写过程

//①使能SPIx和IO口时钟

RCC_AHBxPeriphClockCmd() / RCC_APBxPeriphClockCmd();

//②初始化IO口为复用功能

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

//③设置引脚复用映射：

GPIO_PinAFConfig();

//②初始化SPIx,设置SPIx工作模式

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);

//③使能SPIx

void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);

//④SPI传输数据

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ;

//⑦查看SPI传输状态

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);

SPI.c:

#include "spi.h"

//以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式   

//SPI口初始化

//这里针是对SPI1的初始化

void SPI1_Init(void)

{  

  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);//使能SPI1时钟

  //GPIOFB3,4,5初始化设置

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;//PB3~5复用功能输出

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能

  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz

  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉

  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_SPI1); //PB3复用为 SPI1

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_SPI1); //PB4复用为 SPI1

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1); //PB5复用为 SPI1

//这里只针对SPI口初始化

RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//复位SPI1

RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,DISABLE);//停止复位SPI1

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置SPI工作模式:设置为主SPI

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步时钟的空闲状态为高电平

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值计算的多项式

SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设

SPI1_ReadWriteByte(0xff);//启动传输  

}   

//SPI1速度设置函数

//SPI速度=fAPB2/分频系数

//@ref SPI_BaudRate_Prescaler:SPI_BaudRatePrescaler_2~SPI_BaudRatePrescaler_256  

//fAPB2时钟一般为84Mhz：

void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)

{

  assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));//判断有效性

SPI1->CR1&=0XFFC7;//位3-5清零，用来设置波特率

SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置SPI1速度 

SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //使能SPI1

} 

//SPI1 读写一个字节

//TxData:要写入的字节

//返回值:读取到的字节

u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)

{  

  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){}//等待发送区空  

SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设SPIx发送一个byte  数据

  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){} //等待接收完一个byte  

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过SPIx最近接收的数据

}

七、W25Q12xx的原理及应用

W25Q128将16M的容量分为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。W25Q128的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除4K个字节。这样我们需要给W25Q128开辟一个至少4K的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上SRAM才能很好的操作。

W25Q128的擦写周期多达10W次，具有20年的数据保存期限，支持电压为2.7~3.6V,W25Q128支持标准的SPI,还支持双输出/四输出的SPI,最大SPI时钟可以到80Mhz(双输出时相当于160Mhz,四输出时相当于320M),更多的W25Q128的介绍，请参考W25Q128的DATASHEET。

W25Q12xx可根据原理图查看，使用的是SPI总线通信协议

比如原子的原理图

7.1 分析W25Q128指令

可参考W25Qxx的数据手册，这里列出W25Q128部分指令：

比如读取设备的ID的指令：0x90000000

7.2 擦除扇区：

7.3 部分常用设备读取指令：

0x90FFFFFF

读取厂商ID

0x20xxxxxx

擦除扇区地址 

0x05FFFFFF

  读取flash状态   

0x02|addr|data

写入数据

0x03 读取数据

每次操作前要使能写操作，且给一个低电平。结束时要给其为高电平，再失能写操作。也就是通过操作片选引脚来确定是否使能或失能。

W25Q12xx.c:

#include "w25qxx.h" 

#include "spi.h"

#include "delay.h"    

#include "usart.h"

u16 W25QXX_TYPE=W25Q128; //默认是W25Q128

//4Kbytes为一个Sector

//16个扇区为1个Block

//W25Q128

//容量为16M字节,共有128个Block,4096个Sector 

//初始化SPI FLASH的IO口

void W25QXX_Init(void)

{ 

  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能GPIOG时钟

  //GPIOB14

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;//PB14

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出

  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz

  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉

  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;//PG7

  GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化

GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);//PG7输出1,防止NRF干扰SPI FLASH的通信 

W25QXX_CS=1; //SPI FLASH不选中

SPI1_Init();     //初始化SPI

SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2); //设置为42M时钟,高速模式 

W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID(); //读取FLASH ID.

}  

//读取W25QXX的状态寄存器

//BIT7  6   5   4   3   2   1   0

//SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY

//SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用

//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置

//WEL:写使能锁定

//BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)

//默认:0x00

u8 W25QXX_ReadSR(void)   

{  

u8 byte=0;   

W25QXX_CS=0;                            //使能器件   

SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadStatusReg);    //发送读取状态寄存器命令    

byte=SPI1_ReadWriteByte(0Xff);             //读取一个字节  

W25QXX_CS=1;                            //取消片选     

return byte;   

} 

//写W25QXX状态寄存器

//只有SPR,TB,BP2,BP1,BP0(bit 7,5,4,3,2)可以写!!!

void W25QXX_Write_SR(u8 sr)   

{   

W25QXX_CS=0;                            //使能器件   

SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteStatusReg);   //发送写取状态寄存器命令    

SPI1_ReadWriteByte(sr);               //写入一个字节  

W25QXX_CS=1;                            //取消片选            

}   

//W25QXX写使能

//将WEL置位   

void W25QXX_Write_Enable(void)   

{

W25QXX_CS=0;                            //使能器件   

    SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteEnable);      //发送写使能  

W25QXX_CS=1;                            //取消片选            

} 

//W25QXX写禁止

//将WEL清零  

void W25QXX_Write_Disable(void)   

{  

W25QXX_CS=0;                            //使能器件   

    SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteDisable);     //发送写禁止指令    

W25QXX_CS=1;                            //取消片选            

}

//读取芯片ID

//返回值如下:    

//0XEF13,表示芯片型号为W25Q80  

//0XEF14,表示芯片型号为W25Q16    

//0XEF15,表示芯片型号为W25Q32  

//0XEF16,表示芯片型号为W25Q64 

//0XEF17,表示芯片型号为W25Q128   

u16 W25QXX_ReadID(void)

{

u16 Temp = 0;   

W25QXX_CS=0;     

SPI1_ReadWriteByte(0x90);//发送读取ID命令     

SPI1_ReadWriteByte(0x00);     

SPI1_ReadWriteByte(0x00);     

SPI1_ReadWriteByte(0x00);    

Temp|=SPI1_ReadWriteByte(0xFF)<<8;  

Temp|=SPI1_ReadWriteByte(0xFF);  

W25QXX_CS=1;     

return Temp;

}        

//读取SPI FLASH  

//在指定地址开始读取指定长度的数据

//pBuffer:数据存储区

//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)

//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)

void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   

{ 

  u16 i;        

W25QXX_CS=0;                            //使能器件   

    SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData);         //发送读取命令   

    SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));  //发送24bit地址    

    SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   

    SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   

    for(i=0;i { 

        pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);   //循环读数  

    }

W25QXX_CS=1;