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MCU - SPI总线介绍 + W25Qx驱动设计

news 2025/5/30 15:21:31

1. SPI总线介绍

1.1 总线概述

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种高速全双工的同步串行通信协议，由Motorola于1980年代提出。其典型特性包括：

四线通信：SCLK/MOSI/MISO/CS ；
主从架构：支持一主多从模式；
无寻址机制：通过硬件片选(CS)选择设备；
时钟驱动：传输速率可达50MHz+ ；

1.2 核心优势对比

特性	SPI	I2C	UART
通信模式	全双工	半双工	全双工
最高速率	50Mbps	3.4Mbps	1Mbps
硬件复杂度	中等	低	低
寻址方式	硬件片选	软件地址	无

2. SPI通信原理详解

2.1 信号线定义

信号线	名称	方向	作用描述
SCLK	串行时钟线	主→从	同步数据传输时钟
MOSI	主设备输出从设备输入	主→从	主设备数据发送通道
MISO	主设备输入从设备输出	从→主	从设备数据响应通道
CS/SS	片选信号	主→从	从设备使能控制(低电平有效)

2.2 数据传输机制

数据以 移位寄存器 方式传输，典型工作流程：

// 典型数据交换伪代码
void SPI_Transfer(uint8_t* txData, uint8_t* rxData, uint32_t size) {CS_LOW();for(int i=0; i<size; i++){SCLK_TOGGLE();rxData[i] = ShiftByte(txData[i]); }CS_HIGH();
}

2.3 SPI总线主从通信应用

在这里插入图片描述

3. SPI时序解析

3.1 时钟极性相位

SPI协议通过 CPOL(Clock Polarity) 和 CPHA(Clock Phase) 组合定义四种工作模式：

模式	CPOL	CPHA	时钟极性	采样边沿
0	0	0	低电平空闲	上升沿采样
1	0	1	低电平空闲	下降沿采样
2	1	0	高电平空闲	下降沿采样
3	1	1	高电平空闲	上升沿采样

3.2 通信时序

在这里插入图片描述

4. SPI + W25Qx存储驱动设计

4.1 W25Q128芯片简介

W25Q128 是华邦电子（Winbond）推出的一款高性能串行闪存芯片，主要参数：

参数	数值
容量	16MB (128M-bit)
页大小	256字节
扇区大小	4KB
块大小	64KB
接口电压	2.7V-3.6V
时钟频率	最高104MHz(Dual SPI)

4.2 驱动程序设计

4.2.1 驱动初始化


void MX_SPI1_Init(void)
{/* USER CODE BEGIN SPI1_Init 0 *//* USER CODE END SPI1_Init 0 *//* USER CODE BEGIN SPI1_Init 1 *//* USER CODE END SPI1_Init 1 */hspi1.Instance = SPI1;hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH; // 串行同步时钟的空闲状态为高电平hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK){Error_Handler();}/* USER CODE BEGIN SPI1_Init 2 *//* USER CODE END SPI1_Init 2 */}

4.2.2 写使能

static void w25QWriteEnable(void)
{// CS 拉低电平，开始通讯W25Q_CS_LOW();// 发送写使能命令W25QHardWriteReadByte( W25Q_CMD_WRITE_ENABLE);// CS 拉高电平，结束通讯W25Q_CS_HIGH();
}

4.2.3 页编程

static uint8_t W25QPageProgram(uint32_t writeAddr, uint8_t* data, uint32_t len)
{// 判断数据的有效性if((!data) || (len <= 0) || (len > 256)) return 1;w25QWriteEnable(); // 写使能// 若等待空闲状态超时，就返回 falseif( !W25QWaitIdle()) return 1;// CS 拉低电平，开始通讯W25Q_CS_LOW();// 发送 页编程 命令W25QHardWriteReadByte( W25Q_CMD_PAGE_PROGRAM);// 发送地址w25QWriteAddr( writeAddr);W25QHardWriteReadMultByte(data, len);// CS 拉高电平，结束通讯W25Q_CS_HIGH();// 等待空闲W25QWaitIdle();return 0;
}

4.2.4 数据读取


static uint32_t w25QxRead(uint32_t readAddr, uint8_t* buf, uint32_t numByte)
{uint8_t len = numByte, i = 0;// 判断数据的有效性if((!buf) || (numByte <= 0)) return 0;// CS 拉低电平，开始通讯W25Q_CS_LOW();// 发送 读取 命令W25QHardWriteReadByte( W25Q_CMD_READ_DATA);// 发送地址w25QWriteAddr( readAddr);for(i = 0; i < numByte; i++) buf[i] = W25Q_DUMMY_VALUE;W25QHardWriteReadMultByte(buf, numByte);// CS 拉高电平，结束通讯W25Q_CS_HIGH();return len;
}