STM32之SPI详解

一、SPI和Flash存储

1. SPI基本概述

1.1 SPI 概述

        SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的串行通信总线协议，由摩托罗拉 （现为 NXP）公司开发。它被广泛应用于微控制器（MCU）、传感器、存储器（如 Flash、SD 卡）、实时时钟（RTC）、数字信号处理器（DSP）等各种外围设备之间的短距离通信。 由于其简单性和高效率，SPI 是嵌入式系统中最常用的通信协议之一。

1.2 SPI的连接方式

• SPI 属于一主多从方式。Master 主机 Slave 从机
• SCLK 时钟线，要求主机必须提供主机和从机之间通信使用的时钟频率。用于控制当前 SPI 工作模式
• MOSI/sdo, Master Output, Slave Input，主机发送数据，从机接收数据，主机发送数据端口。
• MISO/sdi, Master Input, Slave Output，从机发送数据，主机接受数据，主机接受数据端口
• SS/cs, SPI Select/chip select, 片选线，根据当前 SS/cs 高电平选择，选择当前主机对应通信的对应从机是哪一个。

补充说明

• SPI 全双工实现是依赖于 MISO/sdi 和 MOSI/sdo，利用两根数据通信线，基于 SCLK 时钟完成数据通信，可以同时进行读写操作。
• SS/cs SPI 实现一主多从方式是依赖于片选线，多组设备连接一组 SPI 协议接口，需要提供多个 SS/cs 片选线控制通信外设选择。

1.3 SPI 的四种工作模式

1.4 SPI 数据形式

• 主要分析 SPI 数据 0 和 数据 1
• SPI 数据是依赖于 SCLK 时钟线，MISO/sdi 和 MOSI/sdo 数据线完成分析，同时需要考虑当前 SPI 的工作模式
• 按照 SPI0 工作模式 CPOL = 0（时钟空闲位低电平），CPHA = 0（第一个跳变沿采集数据）分析 SPI 数据 0 和 1

1.5 SPI 环形总线结构

2. STM32 SPI 支持

2.1 SPI 框图和技术特征

        SPI 移位寄存器的核心工作机制是：以数据帧长度（通常 8 位）为容量，在每个时钟沿同步完成 “1 位发送” 和 “1 位接收”—— 按 MSB 优先（默认）或 LSB 优先的方向，待发数据从移位寄存器最高位（或最低位）“移出” 到 MOSI 总线，同时 MISO 总线上的外部数据从最低位（或最高位）“移入” 寄存器，通过连续多个时钟沿的移位动作，最终完成一整帧数据的全双工交换。

SPI 移位寄存器的核心工作机制是：以数据帧长度（通常 8 位）为容量，在每个时钟沿同步完成 “1 位发送” 和 “1 位接收”—— 按 MSB 优先（默认）或 LSB 优先的方向，待发数据从移位寄存器最高位（或最低位）“移出” 到 MOSI 总线，同时 MISO 总线上的外部数据从最低位（或最高位）“移入” 寄存器，通过连续多个时钟沿的移位动作，最终完成一整帧数据的全双工交换。

2.2 SPI 配置

2.2.1 MCU SPI 配置为主模式

2.2.2 2 SPI 对应引脚和时钟分析

• 根据当前原理图分析，时钟使能对应 GPIOB 和 SPI2
• GPIOB 对应使用控制寄存器是 APB2ENR
• SPI2 对应使用控制寄存器是 APB1ENR，注意 APB1 外设最大的时钟频率为 36 MHz

3. W25Q128 Flash 存储芯片

3.1 存储芯片基本内容

W25Q128 是华邦电子（Winbond）生产的一款非常流行和经典的 128M - bit 串行 Flash 存储器芯片。它采用 SPI（串行外设接口）进行通信，因其容量适中、接口简单、成本低廉、可靠性高，被广泛应用于各种电子设备中。

除 W25Q128 版本还有：

• W25Q128 ==> 实际容量是 16 MB
• W25Q64 ==> 实际容量是 8 MB
• W25Q32 ==> 实际容量是 4 MB
• W25Q16 ==> 实际容量是 2 MB

基于当前 STM32 单片机内部的 Flash 存储空间较少，可以利用外部的 Flash 芯片作为存储设备。可以用于车辆里程信息存储，指纹锁密码和指纹信息存储，RFID 读卡器数据存储。

3.2 W25Q128 芯片技术参考内容

• W25Q128 是一款高性能、低功耗、高可靠性的串行闪存芯片，适用于嵌入式、IoT、汽车电子、工业控制等多种应用场景。其 SPI/QSPI 接口、高速读写、工业级温度范围等特点，使其成为现代电子系统中的理想存储解决方案
• 存储容量：128Mbit（16MB），采用 16M×8 的组织结构。
• 接口类型：
  • 标准 SPI（Serial Peripheral Interface）
  • Dual SPI（双线 SPI）
  • Quad SPI（四线 SPI）
  • QPI（快速四线 SPI）
• 时钟频率：最高 104MHz（标准 SPI），在 Quad SPI 模式下可进一步提升数据传输速率。
• 写入速度：
  • 字写周期 50μs
  • 页写周期 3ms（256 字节 / 页）。
• 擦除单位：
  • 扇区擦除（4KB）
  • 块擦除（64KB）
  • 整片擦除（16MB）。
• 工作电压：2.7V - 3.6V，适用于多种嵌入式系统。满足 3.3V 标准 MCU 工作电压需求。
• 温度范围：工业级 - 40°C ~ +85°C，适用于严苛环境。
• 封装形式：
  • SOP - 8（小型封装）
  • WSON - 8（更紧凑的封装）。
• 数据保持时间：20 年（非易失性存储）。
• 擦写寿命：100,000 次（每个存储单元可擦写 10 万次）。
• 电流数据：
  • 工作电流低于 5 mA
  • 掉电电流低于 1 μA

3.3 W25Q128 控制线和数据模式

• 片选 CS / SS
  • CS 引脚用于启用或禁用设备操作：
    • 当 CS 为高电平时：
      • 设备处于未选中状态，串行数据输出引脚（DQ 或 IO0、IO1、IO2、IO3）呈高阻状态；
      • 若设备未执行内部擦除、编程或状态寄存器写入操作，其功耗将降至待机水平，电流 1 μA
    • 当 CS 拉低时：
      • 设备被选中，功耗升至工作状态电流不大于 5 mA，此时可向设备写入指令或读取数据；
      • 上电后，必须确保 CS 经历一次从高到低的跳变，设备才会接受新指令。
• 输入输出 DI、DO
  • 4.2 串行数据输入、输出及输入 / 输出端口（DI、DO 与 IO0、IO1、IO2、IO3）
    W25Q128FV 支持标准 SPI、双线 SPI 和四线 SPI 操作。在标准 SPI 模式下：
    • 单向 DI（输入）引脚用于在串行时钟（CLK）输入引脚的上升沿，向设备串行写入指令、地址或数据；DI 连接的引脚是 MCU MOSI/sdo
    • 单向 DO（输出）引脚则在 CLK 的下降沿从设备读取数据或状态。DO 链接引脚是 MCU 的 MISO/sdi
• 写保护 WP
  • WP 引脚用于防止状态寄存器被意外写入，其特性如下：
    1. 硬件写保护机制：
    • 通过与状态寄存器的块保护位（CMP、SEC、TB、BP2、BP1、BP0）及状态寄存器保护位（SRP）配合，可实现从最小 4KB 扇区到整个存储阵列的硬件保护。
    • 该引脚为低电平有效（Active Low），当拉低时激活保护功能。
    1. 四线模式下的功能切换：
    • 若状态寄存器 - 2 中的 QE 位（Quad 使能位）被置 1，设备将进入四线 / I/O 模式，此时 I/WP 引脚功能失效，转而作为 IO2 信号线使用。
    • 四线 / I/O 模式的引脚配置详见图 1a 至 1c。
• Hold 引脚
  • 暂停与恢复控制：
    • 当 CS 为低电平（设备选中）且 HOLD 被拉低时：
      • DO 引脚将进入高阻态；
      • DI 和 CLK 引脚上的信号将被忽略（无效状态）。
    • 当 HOLD 恢复高电平后，设备操作将继续执行。
  • 多设备共享 SPI 总线时的应用：
    • 该功能特别适用于多个设备共享同一组 SPI 信号线的场景，可通过 / HOLD 临时挂起当前设备以切换总线控制权。
    • 引脚为低电平有效（Active Low）。
  • 四线模式下的功能切换：
    • 若状态寄存器 - 2 中的 QE 位（Quad 使能位）被置 1，设备进入四线 / I/O 模式，此时 / HOLD 引脚功能失效，转而作为 IO3 信号线使用。
    • 四线 / I/O 模式的引脚配置详见

3.4 地址规则【重点】

• 块 Block
  • 块区域字节数是 64 KB，按照一块字节数数量，地址范围是 0x0000 ~ 0xFFFF
  • 当前设备是 W25Q128 对应 16 MB 空间，当前设备一共有 256 块 (64KB)，按照块进行编号 0x00 ~ 0xFF
  • 整个 Flash 空间中每一个字节对应的地址是 0x000000 ~ 0xFFFFFF
• 扇区
  • 每一个扇区占用 4 KB，一块 ==> 16 扇区
  • 在当前块中，对应扇区的编号是 0x0 ~ 0xF (0 ~ 15)
• 页
  • 每一页占用 256 字节，一个扇区 ==> 16 页
  • 在当扇区中，对应页的编号是 0x0 ~ 0xF (0 ~ 15)
• 页内字节
  • 每一页占用 256 字节
  • 页内字节对应的地址凡是 0x00 ~ 0xFF (0 ~ 255)

需要在第 12 块中，第 10 个扇区，第 5 页中的页内 108 个字节写入一个字节数据

• 对应地址 0x0B946B

例如：

3.5 W25Q128 指令对照表

4. 标准库 SPI Flash

4.1 标准库SPI源码移植到项目中

4.2 代码

main.c:

#include "stm32f10x.h"#include "led.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"
#include "beep.h"
#include "usart1.h"
#include "adc.h"
#include "systick.h"
#include "tim6.h"
#include "tim3.h"
#include "sg90.h"
#include "myiic.h"
#include "spi.h"
#include "spi_flash.h"#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"/*
根据 W25Q128 地址规则，提供对应读写数据地址对应地址 0x012300 ==> 块编号为 1 扇区编号为 2 页编号位 3，页内字节对应 00  PageSize == 0x100 ==> 256 字节
*/
#define WRITE_ADDR (0x012300)
#define READ_ADDR  WRITE_ADDR/*
发送数据和接收数据的对应空间都是按照一页数据空间考虑。
*/
#define W25Q128_PAGE_SZIE (256)
u8 spi_send_buffer[W25Q128_PAGE_SZIE] = "ABCDEFG12345677654321GFEDCBA";
u8 spi_read_buffer[W25Q128_PAGE_SZIE] = {0};int main(void)
{Led_Init();USART1_Init(115200);/*利用 SPI 标准库提供的函数进行 SPI 初始化操作*/sFLASH_Init();/*优先将对应的 W25Q128 指定扇区空间进行擦除操作 删除 4KB*/sFLASH_EraseSector(WRITE_ADDR);/*利用 SPI 标准库提供的 writeBuffer 函数写入数据到 W25Q128 中*/sFLASH_WriteBuffer(spi_send_buffer, WRITE_ADDR, strlen((const char *)spi_send_buffer));/*用 SPI 标准库提供的 ReadBuffer 函数读取 W25Q128 中数据*/sFLASH_ReadBuffer(spi_read_buffer, READ_ADDR, strlen((const char *)spi_send_buffer));printf("spi_read_buffer : %s\n", spi_read_buffer);while (1){Led1_Ctrl(1);}
}

spi.c:

void SPI2_Init(void)
{/*PB12 --> CS/SS- GPIO 模式选择 推挽输出模式PB13 --> SCK- GPIO 模式选择 复用推挽输出模式PB14 --> MISO - Master Input, Slave Output- GPIO 模式选择 浮空输入模式PB15 --> MOSI- Master Output, Slave Input- GPIO 模式选择 复用推挽输出模式时钟使能需要SPI2  ==> RCC_APB1ENR_SPI2ENGPIOB ==> RCC_APB2ENR_IOPBEN*/// 1. 时钟使能RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);// 2. 准备配置 GPIOB 相关的内容GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};// PB12 GPIO 配置GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// PB13 , PB15 GPIO 配置 都是复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// PB14 GPIO 配置GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/*3. GPIO 当前默认电平设置所有引脚全部拉高，作为准备阶段内容。尤其是 CS/SS ==> PB12 一旦处于低电平状态，相当于选择对应芯片。*/GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15);// 4. SPI 配置SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure = {0};/*SPI 工作模式配置SPI0(00) SPI_CPOL_Low 	空闲时钟为低电平  SPI_CPHA_1Edge 数据采样为第一个跳变沿SPI1(01) SPI_CPOL_Low 	空闲时钟为低电平  SPI_CPHA_2Edge 数据采样为第二个跳变沿SPI2(10) SPI_CPOL_High 	空闲时钟为高电平  SPI_CPHA_1Edge 数据采样为第一个跳变沿SPI3(11) SPI_CPOL_High 	空闲时钟为高电平  SPI_CPHA_2Edge 数据采样为第二个跳变沿*/SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;// 设置 SPI 当前模式为主机模式 MasterSPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;// 设置 SPI 数据发送高位先出SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;// 设置 SPI 工作数据方向，对应全双工 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;// 设置 SPI 字长为 8 bit ==> 1 byte SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;// 设置 SPI 当前波特率分频倍数，基于当前 APB1 时钟 36MHz// SPI_BaudRatePrescaler 选择 2 ，对应 SPI 工作波特率为 18MHzSPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;// 设置 SPI 触发方式为软件控制触发SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;// 对 SPI 进行初始化操作SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);// 开启 SPI2 SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
}

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