江协科技STM32学习笔记（第10章 SPI通信)_w25q256 16m之后的地址

第10章 SPI通信

10.1 SPI通信协议

10.1.1 SPI通信

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线；

串行外设接口；

I2C无论是软件还是软件电路，设计的都还是比较复杂的，硬件上，我们要配置为开漏外加上拉的模式；软件上有很多功能和要求，比如一根通信线兼顾数据收发、应答位的收发、寻址机制的设计等等。通过这么多的设计，使得I2C的通信性价比非常高，I2C可以在消耗最低硬件资源的情况下，实现最多的功能。在硬件上，无论挂载多少个设备，都只需要两根通信线，在软件上，数据双向通信、应答位都可以实现，如果把通信协议比做人的话，那I2C就属于精打细算、思维灵活的人，既要实现硬件上最少的通信线，又要实现软件上最多的功能。I2C经过精心的设计，也确实实现了这么多功能。缺点就是由于I2C采用开漏外加上拉电阻的电路结构，使得通信线高电平的驱动能力比较弱，这就会导致，通信线由低电平变到高电平的时候，上升沿比较长，这会限制I2C的最大通信速度，所以I2C的标准模式，只有100KHz的时钟频率，I2C的快速模式，也只有400KHz；虽然I2C协议最后又通过改进电路的方式，设计出了高速模式，可以达到3.4MHz，但是高速模式目前普及模式不是很高，所以一般情况下，我们认为I2C的时钟速度最多就是400KHz，这个速度相比较I2C而言，还是慢了很多的。

SPI的优缺点：

（1）SPI传输更快，SPI协议并没有严格规定最大传输速度，这个最大传输速度取决于芯片厂商的设计需求，比如下图第一个图所示W25Q64存储器芯片，手册里写的SPI时钟频率，最大可达80Hz

,这比STM32F1的主频还要高；

（2）其次，SPI的设计比较简单粗暴，实现的功能没有I2C那么多，所以学习起来，SPI比I2C简单很多；

（3）SPI硬件开销比较大，通信线的个数比较多，并且通信过程中，经常会有资源浪费的现象，如果继续把通信协议比作一个人的话，SPI就属于富家子弟、有钱任性这类型的人。SPI不在乎花了多少钱，只在乎任务有没有最简单、最快速的完成。

四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）；

SCK：串行时钟线

MOSI：主机输出、从机输入

MISO：主机输入、从机输出

SS：从机选择

以上是SPI通信典型的引脚名称，当然在实际情况下，这些名称可能会有别的表述方式，比如SCK，有的地方可能叫做SCLK、CLK、CK；MOSI和MISO，有的地方可能直接叫做DO（Data Output）和DI（Data Input）；SS有的地方也可能叫做NSS（Not Slave Select）、CS（Chip Select）。

同步，全双工；

首先既然是同步时序，肯定就得有时钟线了，SCK引脚就是用来提供时钟信号的，数据位的输出和输入，都是在SCK的上升沿或下降沿进行的，这样，数据位的收发时刻就可以明确的确定，并且，同步时序，时钟快点慢点，或者中途暂停一会儿，都是没问题的，这就是同步时序的好处。对照I2C总线，这个SCK，就相当于I2C的SCL，两者作用相同。

之后，SPI是全双工的协议，全双工，就是数据发送和数据接收单独各占一条线，发送用发送的线路，接收用接收的线路，两者互不影响，所以这里MOSI和MISO，就是分别用于发送和接收的两条线路，MOSI线，是主机输出、从机输入，如果是主机接在这条线上，那就是MO，主机输出；如果是从机接在这条线上，就是SI，从机输入。意思就是一条通信线，如果主机接在上面配置为输出，那从机肯定得配置为输入，才能接收主机得数据，主机和从机不能同时配置为输入或输出，不然就没法通信了，所以这条MOSI就是主机向从机发送数据的线路。MISO就是主机从从机接收数据的线路，这就是全双工通信的两根通信线，这两根线，加在一起就相当于I2C总线的SDA，当然I2C是一根线兼具发送和接收，是半双工，SPI是一根发送，一根接收，是全双工。全双工的好处就是简单高效，输出线就一直输出，输入线就一直输入，数据流的方向不会改变，也不用担心发送和接收没协调好冲突了。但是坏处就是多了一根线，会有通信资源的浪费。

支持总线挂载多设备（一主多从）。

SPI仅支持一主多从，不支持多主机。这一点，SPI没有I2C强大。

I2C实现一主多从的方式是，在起始条件之后，主机必须先发送一个字节进行寻址，用来指定我要跟哪个从机进行通信，所以I2C这里，要涉及分配地址和寻址的问题，但是SPI表示，你这太麻烦了，SPI直接再开辟了一条通信线，专门用来指定我要跟哪个从机进行通信，所以这条专门用来指定从机的通信线，就是这里的SS，从机选择线。并且这个SS可能不止一条，SPI的主机表示，我有几个从机，我就开几条SS，所有从机一人一根，我需要的时候，就控制接到你那根SS线。

SPI没有应答机制的设计，发送数据就是发送，接收数据就是接收，至于对面是不是存在，SPI是不管的。

第1个图是W25Q64，是一个Flash存储器， 可以看到这个模块的引脚，和刚才说的SPI通信典型引脚名称并不一样，这里CLK就是CK、DI和DO就是MOSI和MISO，DI到底是MOSI还是MISO，要看一下这个芯片的身份，这个芯片接在STM32上，应该是从机，所以这里的DI数数据输入，就是从机的数据输入SI，对应需要接在主机的MO上，所以这里的DI就是MOSI，另一个DO就是MISO了。一般在这种始终作为从机的设备上，可能会用DI和DO的简写，像STM32这种，可以进行身份转换的设备，一般都会把MOSI、MISO的全称写完整。CS片选就是SS从机选择了。

第2个图是利用SPI通信的OLED屏幕，上面的引脚也不是标准的名称。所以这个引脚需要查一下手册，手册里有些。

第3个图是一个2.4G无线通信模块，芯片型号是NRF24L01，这个芯片使用的就是SPI通信协议，要想使用这个芯片来进行无线通信，就需要用SPI来读写这个芯片。

第4个图就是常见的MicroSD卡了，这个SD卡官方的通信协议是SDIO，但是它也是支持SPI协议的，我们可以利用这个SPI，对这个SD卡进行读写操作。

10.1.2 SPI硬件电路

所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起；

SCK;时钟线，时钟线完全由主机掌控，所以对于主机来说，时钟线为输出，对于所有从机来说，时钟线为输入，这样主机的同步时钟，就能送到各个从机了；

MOSI：主机输出从机输入，左边是主机，所以对应MO主机输出，下面三个都是从机，所以就对应SI，从机输入；数据传输方向是，主机通过MOSI输出，所有从机通过MOSI输出。

MISO：主机输入从机输出，左边是主机对应MI，下面三个从机对应SO，数据传输方向是，三个从机通过MISO输出，主机通过MISO输入。

主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚；

主机的SS都是输出，从机的SS都是输入，SS线是低电平有效的，主机想指定谁就把对应的SS输出线置低电平就行了。比如主机初始化之后，所有的SS都输出高电平，这样就是谁也不指定，当主机需要和比如从机1进行通信了，主机就把SS1线输出低电平，这样从机1就知道主机在找我，然后主机在数据引脚进行的传输，就只有从机1会响应。其它从机的SS线是高电平，所以它们都会保持默认，当主机和从机1通信完成后，就会把SS1置回高电平，这样从机1就知道，主机结束了和我的通信。同一时间，主机只能置一个SS为低电平，只能选中一个从机否则，如果主机选中多个从机，就会导致数据冲突，这就是SPI总线选择从机的方式。

输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。

推挽输出，高低电平均有很强的驱动能力，这将使得SPI引脚信号的下降沿，非常迅速，上升沿，也非常迅速，不想I2C那样，下降沿非常迅速，但是上升沿就比较缓慢了，得益于推挽输出的驱动能力，SPI的信号变化得快，自然就能达到更高得传输速度，一般SPI信号都能轻松地达到MHz的速度级别。I2C并不是不想使用更快的推挽输出，而是I2C要使用半双工，经常要切换输入输出，另外I2C又要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，这些功能都不允许I2C使用推挽输出，不然I2C一不小心就短路了。所以I2C选择了实现更多的功能，自然就要放弃更强的性能了。对于SPI来说，首先SPI不支持多主机，然后SPI又是全双工，SPI的输出引脚始终是输出，输入引脚始终是输入，基本不会出现冲突，所以SPI可以大胆地使用推挽输出。不过SPI还是有一个冲突点的，就是MISO引脚，在这个引脚上可以看到主机一个是输入，但是三个从机全都是输出，如果三个从机都始终是推挽输出，势必会导致冲突，所以在SPI协议里，有一条规定，就是当从机的SS引脚为高电平，也就是从机未被选中时，它的MISO引脚，必须切换为高阻态，高阻态就相当于引脚断开，不输出任何电平，这样就能防止一条线上有多个输出，而导致的电平冲突的问题了，在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出，这就是SPI对这个可能的冲突做出的规定。当然这个切换过程都是在从机里，我们一般都是写主机的程序，所以我们主机的程序中，并不需要关注这个问题。

SPI主机主导整个SPI总线，主机一般都是控制器来作，比如STM32，下面的SPI从机1、2、3就是挂载在主机上的从设备，比如存储器、显示屏、通信模块、传感器等等。左边SPI主机实际上引出了6根通信线，因为有3个从机，所以SS线需要3根，再加SCK、MOSI、MISO，就是6根通信线，当然SPI所有通信线都是单端信号，它们的高低电平都是相对GND的电压差。所以单端信号，所有的设备还需要共地，这里GND的线没画出来，但是是必须要接的，如果从机没有独立供电的话，主机还需要再额外引出电源正极VCC，给从机供电，这两根电源线，VCC和GND也要注意接好。

10.1.3 移位示意图

这个移位示意图是SPI硬件电路设计的核心，只要把这个移位示意图搞懂了，无论是硬件电路还是软件时序，理解起来都会更加轻松。

SPI基本收发电路，就是使用了这样一个移位的模型。左边是SPI主机，里面有一个8位的移位寄存器，右边是SPI从机，里面也有一个8位的移位寄存器。这里移位寄存器有一个时钟输入端，因为一般SPI都是高位先行的，所以每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位，从机中的移位寄存器也是同理。移位寄存器的时钟源是由主机提供的，这里叫做波特率发生器，它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位，同时这个时钟也通过SCK引脚进行输出，接到从机的移位寄存器里，之后，上面移位寄存器的接法是，主机移位寄存器左边移出去的数据，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边，从机移位寄存器左边移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边。

首先，我们规定，波特率发生器时钟的上升沿、所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放在引脚上；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，接下来，假设主机有个数据10101010要发送到从机，同时从机有个数据01010101要发送到主机，那我们就可以驱动时钟，先产生一个上升沿，这时，所有的位，就会往左移动一位，从最高位移出去的数字，就会放到通信线上（实际上是放到了输出数据寄存器），可以看到，此时MOSI数据是1，所以MOSI的电平就是高电平；MISO数据是0，所以MISO的电平就是低电平，这就是第一个时钟上升沿执行的结果。就是把主机和从机中，移位寄存器的最高位，分别放到MISO和MOSI的通信线上，这就是数据的输出。

之后时钟继续运行，上升沿之后，下一个边沿就是下降沿。在下降沿时，主机和从机内，都会进行数据采样输入， 也就是MOSI的1，会采样输入到从机这里的最低位，MISO的0，会采样输入到主机这里的最低位，这就是第一个时钟结束后的现象。

时钟继续运行，同样的操作。 

8个时钟以后，就实现了主机和从机一个字节的数据交换。实际上SPI的运行过程就是这样，SPI的数据收发，都是基于字节交换，这个基本单元来进行的，当主机需要发送一个字节，并且同时需要接收一个字节时，就可以执行以下字节交换的时序，这样主机要发送的数据跑到从机，主机要从从机接收的数据，跑到主机，这就完成了发送同时接收的目的。

如果只想发送，不想接收，仍然调用交换字节的时序，发送，同时接收，只是这个接收到的数据，我们不看它就行了。如果只想接收，不想发送，也是同理，调用交换字节的时序，发送，同时接收，只是我们回随便发送一个数据，只要能把从机的数据置换过来就行了，我们读取置换过来的数据就是接收到了，随便塞过去的数据，从机也不会去看它，当然这个随便的数据不会真的随便发，一般在接收的时候，统一发送0x00或0xFF，去跟从机换数据。

10.1.4 SPI时序基本单元

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

数据传输的基本单元是建立在移位模型上的，并且这个模型什么时候移位？是上升沿移位还是下降沿移位？SPI并没有限定死，给了我们可以配置的选择，这样的话SPI就可以兼容更多的芯片。SPI有两个可以配置的位，分别叫做CPOL（Clock Polarity）、时钟极性和CPHA（Clock Phase）,每一位都可以配置为1或0，总共组合起来，就有模式0、模式1、模式2、模式3这4中模式。模式虽然多，但功能都是一样的。

实际应用中，模式0的应用是最多的。模式0和模式1的区别就在于模式0把数据变化的时机给提前了。

交换一个字节（模式0）

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

MISO起始和终止位高阻态。

交换一个字节（模式1）

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（或叫做进行采样）

 交换一个字节（模式2）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

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3）

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

10.1.5 SPI时序 

SPI中，通常使用的是指令码加读写数据的模型，这个过程就是SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，一般叫做指令码，在从机中，对应的会定义一个指令集，当我们需要发送什么指令时，就可以在起始后第一个字节，发送指令集里面的数据，这样就是指导从机完成相应的功能了。不同的指令，可以有不同的数据个数，有的指令，只需要一个字节的指令码就可以完成，比如W25Q64的写使能、写失能等指令。而有的指令，后面就需要再跟要读写的数据，比如W25Q64的写数据、读数据等。写数据指令后面就得跟上，我要在哪里写，我要写什么；读数据指令后面就得跟上我要在哪里读，我要读到的是什么。这就是指令码加读写数据的模型，在SPI从机的芯片手册里，都会定义好指令集，什么指令对应什么功能；什么指令后面得跟上什么数据。

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）

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）

10.2 W25Q64简介  

10.2.1 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；

SPI串行通信，通信引脚比较少，协议也很简单，这个芯片的硬件接线也不麻烦，就VCC、GND接上电，剩下的全都可以接GPIO，基本不需要其它电路；

存储器分为易失性存储器和非易失性存储器，易失性存储器一般就是SRAM、DRAM等，非易失性存储器一般就是E2PROM、Flash等，它们最主要的区别，简而言之，就是存储的数据是否掉电不丢失，非易失性存储器就是数据不容易丢失的存储器，也就是数据掉电不丢失。所以存储在W25Qxx芯片里的数据，在断电重启后，数据仍然保持原样。

字库存储；可以用这个数据来存储汉字字库的点阵数据，在显示某个数据之前，先读取芯片查询字库，再在显示屏上显示对应的点阵数据，这样就能让显示屏任意显示中文了。

固件程序存储就相当于直接把程序文件下载到外挂芯片里，需要执行程序的时候，直接读取外挂芯片的程序文件来执行。这就是XIP（eXecute In Place），就地执行。比如我们电脑里的BIOS固件，就可以存储在这个W25Q系列芯片里。

存储介质：Nor Flash（闪存）

Flash就是闪存存储器，像我们STM32里的程序存储器、U盘、电脑里的固态硬盘等，使用的都是Flash闪存，闪存分为Nor Flash和Nand Flash，两者各有优势和劣势，适用领域不同。

时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

我们这个芯片使用的SPI通信，其中SPI的SCK线，就是时钟线，这个时钟线的最大频率是80MHz，这个频率相比较STM32，是非常快了。所以我们之后写程序的时候，翻转引脚，就不需要加延时了，即使不掩饰，这个GPIO的翻转频率，也不可能达到80MHz，所以可以放心使用了。

160MHz是双重SPI模式等效的频率，320MHz是四重SPI模式等效的频率。

双重SPI和四重SPI：MOSI用于发送，MISO用于接收，是全双工通信，在只发或只收的时候有资源浪费，但是在这个W25Q芯片厂商不忍心浪费，所以就对SPI做出了一些改进，就是我在发的时候，我可以同时用MOSI和MISO发送，在收的时候，也可以同时用MOSI和MISO接收，MOSI和MISO同时兼具发送和接收的功能。一个SCK时钟，同时发送或接收2位数据，这就是双重SPI模式，一个时钟收发两位，相比较一位一位的普通SPI，数据传输率就是二倍了，所以在双重SPI模式下，等效的时钟频率就是160MH。但实际的SCK频率，最大还是80MHz，只是一个时钟发两位而已。

在我们的芯片里还有两位引脚，一位是WP写保护，另一个是HOLD，这两个引脚如果不需要的话，也可以拉过来充当数据传输引脚，加上MOSI和MISO，这就可以4个数据位同时收发了。

存储容量（24位地址）：

W25Q40：    4Mbit / 512KByte

W25Q80：    8Mbit / 1MByte

W25Q16：    16Mbit / 2MByte

W25Q32：    32Mbit / 4MByte

W25Q64：    64Mbit / 8MByte

W25Q128：  128Mbit / 16MByte

W25Q256：  256Mbit / 32MByte

这个芯片使用的是24位地址，是3个字节，因为我们在进行读写的时候，肯定得把每个字节都分配一个地址，这样才能找到它们。

24位地址能够提供（2^24/1024/1024=16MB）的寻址空间。

W25Q256分为3字节地址模式和4字节地址模式，在3字节地址模式下，只能读取前16MB的数据，后面16MB,3个字节的地址够不着，要想读写到所有鵆单元，可以进入4字节地址的模式。

10.2.2 硬件电路

WP（Write Protect）： 配合内部的寄存器配置，可以实现硬件的写保护，写保护低电平有效。WP接低电平，保护住，不让写，WP接高电平，不保护，可以写。

HOLD：如果在进行正常读写时， 突然产生中断，然后想用SPI通信线去操控其它器件，这时如果把CS置回高电平，那时序就终止了，但如果又不想终止总线，又想操作其它器件，这就可以HOLD引脚置低电平，这样芯片就HOLD住了。芯片释放总线，但是芯片时序也不会终止，它会记住当前的状态。当操作完其它器件时，可以回过来，HOLD置回高电平，然后继续HOLD之前的时序。相当于SPI总线进了一次中断，并且还在中断里，还可以用SPI干别的事情。

10.2.3 W25Q64框图

10.2.4 Flash操作注意事项

写入操作时：

        写入操作前，必须先进行写使能；

这是一种保护操作，防止误操作，就像手机一样，先解锁再操作。

        每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1；

Flash并没有像RAM那样的直接完全覆盖改写的能力，比如在某个字节的存储单元里，存储了0xAA这个数据，对应的二进制位就是1010 1010，如果我直接在在这个存储单元写入一个新的数据，比如我再次写入一个0x55，写完之后这个存储单元里存的并不是0x5.因为0x55的二进制是0101 0101，当这个0101 0101要覆盖原来的1010 1010时，就会受到这条规定的限制，所以这里写入0101 0101之后，一次来看，最高位由原来的1改写为0是可以的，所以写入之后，新的最高位就是0，但是第二位原来是0，现在想改成1，这是不行的，所以写入之后新的第二位还是0，这样最终就会变成0x00，为了弥补这个缺陷，因为有了下一条规定。

        写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1；

因此，在Flash中，空白部分是0xFF。如果读取的是0xFF，那说明这部分有可能是还没有写入数据的空白空间。

        擦除必须按最小擦除单元进行；

这个应该是为了成本而做的妥协，Flash不能指定某一个字节单元进行擦除，要擦就得一片一起擦，在我们这个芯片里可以选择整个芯片一起擦除，也可以选择按块擦除或者按扇区擦除。再小就没有了，所以最小的擦除单元，是一个扇区。一个扇区是4Kb，就是4096个字节。擦除时，如果不想丢失数据，只能先把这4096个字节的数据读取出来，再把4096个字节的扇区擦掉，改写完读出来的数据之后，再把4096个字节全部写回去。实际情况下，我们还有别的方法来优化这个流程，比如，上电后，我们先把Flash的数据读出来，放到RAM里，当有数据变动时，我们统一把数据备份到Flash里。或者我把使用频繁的扇区，放在RAM里，当使用频率降低时，我再把整个扇区被分到Flash里。或者如果数据量确实非常少，只想存几个字节的参数就行了，那直接1个字节占一个扇区就行。

        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；

在写入的时候，一次性不能写太多，一个写入时序，最多只能写一页的数据，也就是256字节。这是因为有一个页缓存区，它只有256字节。为什么会有缓存区呢？是因为Flash的写入太慢了，跟不上SPI的频率，所以写如的数据，会先放到RAM里暂存，等时序结束之后，芯片再慢慢地把数据写入到Flash里，所以这里会有一个限制，每个时序，最多写入一页的数据。这个页缓存区，是和Flash的页对应的，必需得从页的起始位置开始，才能最大写入256字节。如果从页中间的地址开始写，那写到页尾时，这个地址就会跳回到页首，这会导致地址错乱。所以在进行多字节写入时，一定要注意这个地址范围，不能跨越页的边沿，否则会地址错乱。

        写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作。

我们的写入操作都是对缓存区进行的，等时序结束后，芯片还要搬砖一段时间，所以每次写入操作后，都有一段时间的忙状态，在这个状态下，我们不要进行新的读写操作，否则，芯片是不会相应我们的，要想知道芯片什么时候结束忙状态了。我们可以使用读状态寄存器的指令，看一下状态寄存器的BUSY位是否为1，BUSY位为0时，芯片就不忙了，我们再进行操作。

另外，这个写入操作包括上面的擦除，在发出擦除指令后，芯片也会进入忙状态，我们也得等忙状态结束后，才能进行后续操作。

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。

Flash作为一种掉电不丢失的存储器，为了保证掉电不丢失这个特性，同时还要保证存储容量足够大、成本足够低，所以Flash存储器会在其它地方，比如操作的便捷性等做一些妥协和让步。Flash的写入和读取并不像RAM那样简单直接，RAM是指哪打哪，想在哪写就在哪写，想写多少就写多少，并且RAM是可以覆盖写入的。比如原来RAM里有个数据0xAA，之后我直接再写入一个新的数据0x55，那RAM的数据就变成0x55了。

10.2.5 器件手册

（1）芯片引脚定义及描述

 （2）芯片系统框图

 （3）SPI操作

（4）写保护逻辑

（5）状态寄存器 

状态寄存器示意图： 

（6） 写保护配置表

（7）指令集

10.3 软件SPI读写W25Q64

10.3.1 硬件电路

 10.3.2 软件部分

（1）复制《OLED显示屏》工程并改名为《软件SPI读写W25Q64》

（2）添加驱动文件

（3）MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
 
/*从机选择函数*/
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);           //SS端接在PA4引脚上
}
 
/*SCK控制函数*/
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue);           //SCK端接在PA5引脚上
	
}
 
/*MOSI控制函数*/
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)BitValue);           //MOSI端接在PA7引脚上
}
 
/*MISO控制函数*/
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);                  //MISO端接在PA6引脚上,STM32读取W25Q64数据
}
 
 
/*软件SPI的初始化函数*/
void MySPI_Init(void)
{	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);        
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;     //输出引脚配置为推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;        //输入引脚配置为上拉输入
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	MySPI_W_SS(1);                                    //初始化时给ss置高电平，默认不选中从机
	MySPI_W_SCK(0);                                   //使用模式0，默认是低电平。
}	
 
/*起始条件函数*/
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0); 
}	
/*终止条件函数*/
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1); 
}	
/*交换字节函数，这种方法使用掩码依次提出每一位，不会改变传入参数本身*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i,ByteReceive = 0x00;                 //用来接收字节
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));       //发送第i位
		MySPI_W_SCK(1);                           //产生上升沿，程序把MOSI总线上的数据（ByteSend & 0x80）读走
		if (MySPI_R_MISO()==1){ByteReceive |= (0x80>> i);}
		MySPI_W_SCK(0);                           //产生下降沿，主机发送下一位
	}
	return ByteReceive;
}
 
/*交换字节函数，这种方法效率高，但是ByteSend在移位过程中改变了*/
//uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
//{
//	uint8_t i,ByteReceive = 0x00;                 //用来接收字节
//	for(i=0;i<8;i++)
//	{
//		MySPI_W_MOSI(ByteSend & 0x80);            //发送最高位
//		ByteSend <<=1;                            //次高位向左移位，变成最高位，准备下一次发送         
//		MySPI_W_SCK(1);                           //产生上升沿，程序把MOSI总线上的数据（ByteSend & 0x80）读走
//		if (MySPI_R_MISO()==1){ByteSend |= 0x01;}
//		MySPI_W_SCK(0);                           //产生下降沿，主机发送下一位
//	}
//	return ByteReceive;
//}
 

（4）MySPI.h

#ifndef __MYSPI_
#define __MYSPI_
 
void MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);
 
#endif
 

（5）W25Q64_lns.h

#ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H
 
#define W25Q64_WRITE_ENABLE							0x06
#define W25Q64_WRITE_DISABLE						0x04
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1				0x05
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_2				0x35
#define W25Q64_WRITE_STATUS_REGISTER				0x01
#define W25Q64_PAGE_PROGRAM							0x02
#define W25Q64_QUAD_PAGE_PROGRAM					0x32
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_64KB						0xD8
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_32KB						0x52
#define W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB						0x20
#define W25Q64_CHIP_ERASE							0xC7
#define W25Q64_ERASE_SUSPEND						0x75
#define W25Q64_ERASE_RESUME							0x7A
#define W25Q64_POWER_DOWN							0xB9
#define W25Q64_HIGH_PERFORMANCE_MODE				0xA3
#define W25Q64_CONTINUOUS_READ_MODE_RESET			0xFF
#define W25Q64_RELEASE_POWER_DOWN_HPM_DEVICE_ID		0xAB
#define W25Q64_MANUFACTURER_DEVICE_ID				0x90
#define W25Q64_READ_UNIQUE_ID						0x4B
#define W25Q64_JEDEC_ID								0x9F
#define W25Q64_READ_DATA							0x03
#define W25Q64_FAST_READ							0x0B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_OUTPUT				0x3B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_IO					0xBB
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_OUTPUT				0x6B
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_IO					0xEB
#define W25Q64_OCTAL_WORD_READ_QUAD_IO				0xE3
 
#define W25Q64_DUMMY_BYTE							0xFF
 
#endif

（6）W25Q64.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_lns.h"
 
/*W25Q64初始化函数*/
void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}
 
/*读取ID号函数*/
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID,uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);             //发送读ID号的指令
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);      //随便给从机发一个东西，没有意义，目的就是把从机的数据置换过来，获取到厂商ID
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);      //获取设备ID的高8位
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);     //获取设备ID的低8位
	MySPI_Stop();
}
 
/*写使能*/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); 
	MySPI_Stop();
}
 
/*状态获取函数*/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);        //获取寄存器状态指令
	Timeout = 100000;
	while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)       //等待Busy状态结束
	{
		Timeout--;
		if(Timeout == 0)
		{
			break;              //超时退出
		}
	}
	MySPI_Stop();
}
 
/*页编程函数*/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	W25Q64_WriteEnable();                //写入操作前，都必须进行写使能
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for(i=0;i<Count;i++)
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	W25Q64_WaitBusy();
}
 
/*扇区擦除函数*/
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();                //写入操作前，都必须进行写使能
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	W25Q64_WaitBusy();
}
 
/*读取数据函数*/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for(i=0;i<Count;i++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}	
	MySPI_Stop();
}

（7）W25Q64.h

#ifndef __W25Q64_
#define __W25Q64
void W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID,uint16_t *DID);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint32_t Count);
#endif
 

（8）main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"                      // 调用延时头文件
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"
 
 
uint8_t MID;       //厂商ID
uint16_t DID;      //设备ID
uint8_t ArrayWrite[] = {0x01,0x02,0x03,0x04};
uint8_t ArrayRead[4];
 
int main(void)
{
	OLED_Init();                                 // 初始化OLED屏幕
	W25Q64_Init();
	OLED_ShowString(1,1,"MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2,1,"W:");
	OLED_ShowString(3,1,"R:");
	W25Q64_ReadID(&MID,&DID);
	OLED_ShowHexNum(1,5,MID,2);
	OLED_ShowHexNum(1,12,MID,4);
//	W25Q64_SectorErase(0x000000);
//	W25Q64_PageProgram(0x000000,ArrayWrite,4);
	W25Q64_ReadData(0x000000,ArrayRead,4);
	OLED_ShowHexNum(2,3,ArrayWrite[0],2);
	OLED_ShowHexNum(2,6,ArrayWrite[1],2);
	OLED_ShowHexNum(2,9,ArrayWrite[2],2);
	OLED_ShowHexNum(2,12,ArrayWrite[3],2);
	OLED_ShowHexNum(3,3,ArrayRead[0],2);
	OLED_ShowHexNum(3,6,ArrayRead[1],2);
	OLED_ShowHexNum(3,9,ArrayRead[2],2);
	OLED_ShowHexNum(3,12,ArrayRead[3],2);
	while(1)        
	{	
                     
	}
}

10.4  STM32 SPI通信外设

10.4.1 SPI外设简介

STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担；

可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行；

最常用的是8位数据帧，高位先行。

时钟频率：  / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)；

时钟频率一般体现的是传输速度、单位是Hz或者bit/s。PSI的时钟，就是由分频得来的，

PCLK（Peripheral Clock）就是外设时钟，APB2的PCLK就是72MHz，APB1的PCLK就是36MHz。

支持多主机模型、主或从操作；

可精简为半双工/单工通信；

支持DMA；

兼容I2S协议；

音频传输协议。

STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2。

SPI1是APB2的外设，SPI2是APB1的外设。

10.4.2 SPI框图

10.4.3 SPI基本结构

核心部分就是数据寄存器和移位寄存器了， 上图所画的是左移，高位移出去，通过GPIO，到MOSI，从MOSI输出，显然就是SPI的主机，之后移入的数据，从MISO进来，通过GPIO到移位寄存器的低位，这样循环8次，就能实现主机和从机交换一个字节，然后TDR行业RDR的配合，可以实现连续的数据流。另外，TDR数据整体转入移位寄存器的时刻，置TXE标志位；移位寄存器整体转入RDR的时刻，置RXNE标志位。

10.4.4 主模式全双工连续传输

连续传输、传输更快，但是操作起来相对复杂。

10.4.5 非连续传输

10.4.6 软件/硬件波形对比

 10.5 硬件SPI读写W25Q64

10.5.1 硬件电路

10.5.2 软件部分

（1）复制《软件SPI读写W25Q64》并更改工程名为《硬件SPI读写W25Q64》 

（2）修改“MySPI.c”，其它文件不变。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
 
/*从机选择函数*/
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);           //SS端接在PA4引脚上
}
 
/*软件SPI的初始化函数*/
void MySPI_Init(void)
{	
	/*初始化GPIO*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); 
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;     //输出引脚配置为推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;     //输出引脚配置为复用推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;     //输出引脚配置为上拉输入模式
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	/*初始化GPIO外设*/
	SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;     //指定当前设备为主机
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;       //配置双线全双工模式
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;  //配置8位数据帧
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB ;  //选择高位先行
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;   // 配置SCK的时钟频率
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;       //时钟极性空闲时默认为低电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;     //设置第一个边沿开始采样，上面两个参数将SPI配置成模式0
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;        //这个外设的NSS引脚一般不会用到，所以一般选择软件NSS就可以了
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;         //CRC校验的默认参数
	SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);
	SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);                            //使能SPI外设
	MySPI_W_SS(1);                                   //默认给SS输出高电平，不选中从机
}	
 
/*起始条件函数*/
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0); 
}	
/*终止条件函数*/
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1); 
}	
/*交换字节函数，这种方法使用掩码依次提出每一位，不会改变传入参数本身*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)!= SET);        //监测TXE标志位是否为1,直到其等于1,卡死几率不大
	SPI_I2S_SendData(SPI1,ByteSend);             //ByteSend发送到TDR，之后转运到移位寄存器，生成波形自动完成
	while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)!= SET);   //RXNE为1，表示大收到1个字节，同时也表示发送的时序产生完成了
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);            //读取RDR
}