STM32学习笔记15-SPI通信软件控制

SPI通信-串行外设接口

• SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线，主控和外设之间通信与I2C一样

I2C：拥有以最少的通信线实现硬件功能和最全的软件实现功能；但是默认是开漏输出，弱上拉的电路结构，导致由低电平到高电平的时间功耗很大，所以速度很慢，最多400KHz，标准是100KHz，现通过优化电路，速度可达到3.4MHz，可远远不够实际的应用。

SPI：传输速度快，速度限制取决于本身厂家的芯片制造；结构简单直接，功能少；硬件开销大，通信线多。

• 四根通信线：SCK/SCLK/CK（串行时钟线：Serial Clock）、MOSI/DO（主机输出从机输入：Master Output Slave Input）、MISO/DI（主机输入从机输出：Master Input Slave Output）、SS/NSS/CS（从机选择：Slave Select）
• 同步（SCK），全双工（两条线，独占输入输出，互不影响，MOSI+MISO=SDA）
• 支持总线挂载多设备（只支持一主多从），会专门开出一条与从机的通信线SS（一条从机一根线），不像I2C要写入从机的相关信息
• 没有应答的机制

硬件电路

• 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
• 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚，低电平有效，只能选择一个从机。在从机中，MISO接口，默认从机为高阻态，通过SS低电平后才为推挽输出。
• 输出引脚配置为推挽输出，能够快速的识别出高低电平的变化，使传输频率变快；输入引脚配置为浮空或上拉输入

移位示意图（硬件电路设计的核心）

工作流程：

规定：发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上；波特率发生器时钟的下降沿，引脚上的位采样输入到移位寄存器的最低位。

假设主机有个数据10101010要发送到从机，同时从机也有个数据01010101要发送到主机。此时驱动时钟(波特率发生器时钟)为上升沿，这时所有位向左移动一次，被移动到引脚的数据，会放到MOSI通信线和MISO通信线上（实际上是放在输出数据寄存器中）；之后时钟继续执行，下降沿，引脚上的存储数据会被移位寄存器采样输入到其中的最低位。循环即可。

SPI的数据收发，都是基于字节交换，以发送同时接收的模式执行；

SPI时序基本单元

开始&结束

• 起始条件：SS从高电平切换到低电平
• 终止条件：SS从低电平切换到高电平

数据传输

CPOL——时钟极性和CPHA——时钟相位，二者不同数据组合就有4种模式，但是功能都差不多，主要学习一种即可。

• 交换一个字节（模式0）——与模式1相比CPHA相反，导致其中的数据需要先在SCK首次变化前移出一位，常用时序
• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

• 交换一个字节（模式1）——最标准的逻辑
• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

• 交换一个字节（模式2）
• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平——与模式0，SCK的极性取反
• CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

• 交换一个字节（模式3）
• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平——与模式1，SCK的极性取反
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

SPI时序——以W25Q64

SPI时序：通常采用指令码（第一个字节：表功能）+读写数据的模型

模式0

• 发送指令
• 向SS指定的设备，发送指令（0x06：写使能）

• 指定地址写
• 向SS指定的设备，发送写指令（0x02），

     随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

• 指定地址读
• 向SS指定的设备，发送读指令（0x03），

     随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

W25Q64简介

• W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景
• 存储介质：Nor Flash（闪存）
• 时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI：使两个线同时可以输入输出，2位) / 320MHz (Quad SPI：用4个线)
• 存储容量（24位地址-3个字节——最大寻址空间16MB）：

       W25Q40：      4Mbit / 512KByte

       W25Q80：      8Mbit / 1MByte

       W25Q16：      16Mbit / 2MByte

       W25Q32：      32Mbit / 4MByte

       W25Q64：      64Mbit / 8MByte

       W25Q128：  128Mbit / 16MByte

       W25Q256：  256Mbit / 32MByte

硬件电路

WP引脚：低电平有效，保护数据，不让写

HOLD：低电平有效，当时序种产生中断，此时去执行其他的操作，会导致时序终止，所以此时又不想终止总线，又想操作其他器件，置HOLD引脚，记录当前的状态。

(IOx)：可以被作为数据收发引脚

补： 和 都是代表低电平有效

W25Q64框图

存储区的划分：

电路逻辑：

Flash操作注意事项

为了保证掉电不丢失的特性

写入操作时：

• • 写入操作前，必须先进行写使能；保护的机制，防误写
  • 每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1；没有覆盖的作用
  • 写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1，弥补第二条中的数据不对的情况
  • 擦除必须按最小擦除单元（最小单元：扇区）进行
  • 连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入，一个写入时序，最多只能写一页的数据256字节，因为RAM缓存区只有256字节
  • 写入操作结束后或者擦除结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作

读取操作时：

• • 直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

状态寄存器：

状态寄存器1：

BUSY位：当正在写数据或擦除的操作时，寄存器BUSY位置1，此时机器会停止进一步的指令，除了读状态寄存器和擦除挂起指令。

WEL（写使能所存位）位：在执行写使能后，WEL置1，代表芯片可以进入写操作；当设备写使能时，置0：失能状态：1.上电后，芯片默认写失能；2.置WEL的值为0使；3.页编程、扇区擦除等写入操作后，会自动WEL=0。

状态寄存器2

指令集：

Write Enable ：写使能指令，发送06h，不能再加其他字节

Write Disable：写失能指令，发送04h，同理

Read Status Register-1：读状态寄存器1，发送05h指令，后续交换一个字节

Page Program：页编程，发送02h，后续交换三个字节（A23–A16 ，A15–A8， A7–A0），之后写入数据(D7–D0)

Sector Erase (4KB)：按4KB的扇区擦除，发送20h指令，再交换发送3个字节的地址

JEDEC ID：读取ID号，发送9Fh指令，后续交换读取3个字节（厂商ID，后两个设备ID）

Read Data：读取数据，发送03h指令，后续交换发送3个字节地址，之后交换数据

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