一、SPI通信

• SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司開(kāi)發(fā)的一種通用數(shù)據(jù)總線

• 四根通信線：

  • SCK（Serial Clock）【CLK或SCL或CK】、
  • MOSI（Master Output Slave Input）【DO（Data Output）】、
  • MISO（Master Input Slave Output）【DI（Data Input）】、
  • SS（Slave Select）【CS或NSS】

• 同步，全雙工

• 支持總線掛載多設(shè)備（一主多從）

• SS（Slave Select）從機(jī)選擇線（可以不止一條），專門用來(lái)指定通信的從機(jī)地址，相比于I2C在起始條件后的尋址操作方便

• 沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制

• 優(yōu)點(diǎn)：最大傳輸速度取決于芯片廠商設(shè)計(jì)需求，比I2C最大400KHZ快

• 缺點(diǎn)：SPI硬件開(kāi)銷較大，通信線個(gè)數(shù)較多

• 與I2C協(xié)議相比，I2C協(xié)議由于上拉電阻和開(kāi)漏輸出模式，導(dǎo)致其輸出高電平的能力弱，直觀的：上升沿的耗時(shí)長(zhǎng)，限制了I2C的最大通信速度

二、硬件電路

• 所有SPI設(shè)備的SCK、MOSI、MISO分別連在一起

• 主機(jī)另外引出多條SS控制線，分別接到各從機(jī)的SS引腳【低電平有效】

• 輸出引腳配置為推挽輸出（高低電平驅(qū)動(dòng)能力好），輸入引腳配置為浮空或上拉輸入

• 由于SPI通信線都是單端信號(hào)， 需要共地

• 對(duì)比：I2C的輸出引腳只能配置為復(fù)用開(kāi)漏輸出，而不能配置為推挽輸出，因?yàn)槭前腚p工要切換輸入輸出，且實(shí)現(xiàn)多主機(jī)的時(shí)鐘同步和總線仲裁，配置為推挽輸出容易電源短路。而SPI是只有一個(gè)主機(jī)，無(wú)總線總裁，且是全雙工，不需要切換線的功能

• 當(dāng)從機(jī)的SS引腳為高電平時(shí)，MISO必須切換為高阻態(tài)，這樣引腳就不會(huì)輸出任何電平，此時(shí)主機(jī)的MISO端口就不會(huì)接收到三個(gè)從機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，導(dǎo)致沖突
  

三、移位示意圖

高位先行，和I2C一樣

SCK低-高電平：主機(jī)和從機(jī)都會(huì)：移位輸出
SCK高-低電平：主機(jī)和從機(jī)都會(huì)：采樣輸入

SPI的數(shù)據(jù)收發(fā)都是基于字節(jié)交換這個(gè)基本單元進(jìn)行的

如果只要讀取從機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)：主機(jī)可以發(fā)送0X00或0XFF去和從機(jī)換數(shù)據(jù)

波特率發(fā)生器：即移位寄存器里面的時(shí)鐘，是由主機(jī)提供的，通過(guò)SCK外接到從機(jī)，保持兩個(gè)設(shè)備的同步

中間還少畫了輸出數(shù)據(jù)寄存器，保存一位數(shù)據(jù)，作為SCK高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)候存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站

四、SPI時(shí)序基本單元

起始條件：SS從高電平切換到低電平
終止條件：SS從低電平切換到高電平

因?yàn)镾S是低電平，表示選中一個(gè)從機(jī)，高電平表示結(jié)束從機(jī)的選中狀態(tài)，通信結(jié)束

交換一個(gè)字節(jié)（模式0）【用的多】

可以配置兩個(gè)位，時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

CPOL=0：空閑狀態(tài)時(shí)，SCK為低電平
CPHA=0：SCK第一個(gè)邊沿移入數(shù)據(jù)，第二個(gè)邊沿移出數(shù)據(jù)

SCK第一個(gè)邊沿之前就需要移出數(shù)據(jù)，可以理解為在第零個(gè)邊沿移出數(shù)據(jù)，那么在什么時(shí)候移出數(shù)據(jù)呢，此時(shí)不是用SCK線作為參考，而是使用SS線，在SS變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候就開(kāi)始移出數(shù)據(jù)

交換一個(gè)字節(jié)（模式1）

CPOL=0：空閑狀態(tài)時(shí)，SCK為低電平
CPHA=1：SCK第一個(gè)邊沿移出數(shù)據(jù)，第二個(gè)邊沿移入數(shù)據(jù)

ps：MISO一條線表示高阻態(tài)
MOSI和MISO出現(xiàn)X表示數(shù)據(jù)的移動(dòng)

交換一個(gè)字節(jié)（模式2）

CPOL=1：空閑狀態(tài)時(shí)，SCK為高電平
CPHA=0：SCK第一個(gè)邊沿移入數(shù)據(jù)，第二個(gè)邊沿移出數(shù)據(jù)

交換一個(gè)字節(jié)（模式3）

CPOL=1：空閑狀態(tài)時(shí)，SCK為高電平
CPHA=1：SCK第一個(gè)邊沿移出數(shù)據(jù)，第二個(gè)邊沿移入數(shù)據(jù)

五、SPI時(shí)序

通常采用：指令碼+讀寫數(shù)據(jù)的模型，起始條件后第一個(gè)字節(jié)為指令碼，在從機(jī)中會(huì)有指令集，指導(dǎo)從機(jī)完成相應(yīng)功能，指令集也定義了該指令需要攜帶什么數(shù)據(jù)

舉例W25Q64中指令的使用：

發(fā)送指令：寫使能

向SS指定的設(shè)備，發(fā)送指令（0x06），主機(jī)用0x06換來(lái)從機(jī)的0xFF

指定地址寫

向SS指定的設(shè)備，發(fā)送寫指令（0x02），隨后在指定地址（Address[23:0]）下，寫入指定數(shù)據(jù)（Data）

• 由于從機(jī)W25Q64芯片容量是8M，單個(gè)字節(jié)不能表示所有地址，所以內(nèi)存地址為24位，所以起始條件后要發(fā)送三個(gè)字節(jié)指定地址，先發(fā)送的是高位地址，后發(fā)送的則是低位地址【這是由指令規(guī)定好的】
• 可以完成連續(xù)寫入，因?yàn)镾PI也有地址指針，會(huì)指向下一個(gè)字節(jié)的位置

指定地址讀

向SS指定的設(shè)備，發(fā)送讀指令（0x03），隨后在指定地址（Address[23:0]）下，讀取從機(jī)數(shù)據(jù)（Data）

六、W25Q64簡(jiǎn)介

• W25Qxx系列是一種低成本、小型化、使用簡(jiǎn)單的非易失性存儲(chǔ)器，常應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、字庫(kù)存儲(chǔ)（漢字字庫(kù)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)）、固件程序存儲(chǔ)（XIP，就地執(zhí)行）等場(chǎng)景
• 存儲(chǔ)介質(zhì)：Nor Flash（閃存）
• 時(shí)鐘頻率：80MHz / 160MHz (Dual SPI)/ 320MHz (Quad SPI)
  • 后面兩個(gè)頻率分別表示：一個(gè)時(shí)鐘發(fā)2位 和 一個(gè)時(shí)鐘發(fā)4位
  • WP引腳和HOLD引腳也可以用來(lái)充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸引腳
• 存儲(chǔ)容量（24位地址）：
  W25Q40： 4Mbit / 512KByte
  W25Q80： 8Mbit / 1MByte
  W25Q16： 16Mbit / 2MByte
  W25Q32： 32Mbit / 4MByte
  W25Q64： 64Mbit / 8MByte
  W25Q128： 128Mbit / 16MByte【24位，最大尋址是16MB】
  W25Q256： 256Mbit / 32MByte【可以選4字節(jié)地址模式】

習(xí)慣使用字節(jié)作為基本單元，所以W25Q64的64表示的是64M（位），即8M字節(jié)

七、硬件電路

寫保護(hù)：配置寄存器配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的寫操作失敗

數(shù)據(jù)保持：當(dāng)需要使用SPI外設(shè)完成其他任務(wù)時(shí)，ss置高電平，此時(shí)會(huì)丟失時(shí)序，通過(guò)HOLD引腳，替SPI外設(shè)控制該從機(jī)的ss為低電平，此時(shí)時(shí)序就不會(huì)丟失【相當(dāng)于spi總線進(jìn)入中斷，保存了上下文】

八、W25Q64框圖

關(guān)于地址：

• 8MB的空間，最后一個(gè)字節(jié)是7F FF FF h
• 8MB的空間以64KB為一個(gè)基本單元?jiǎng)澐侄鄠€(gè)塊，一共128塊
• 一塊里以4KB為一個(gè)扇區(qū)，則有16份，也就是說(shuō)每一塊分為16個(gè)扇區(qū)
• 頁(yè)：可以當(dāng)做是扇區(qū)的進(jìn)一步劃分，也可以當(dāng)做是對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)空間劃分。
  • 一頁(yè)的大小是256（B）字節(jié)，一個(gè)扇區(qū)是4KB（4*1024（B）字節(jié)），可以分16頁(yè)

Control Logic：SPI控制邏輯，負(fù)責(zé)將外部主控芯片傳入的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

狀態(tài)寄存器負(fù)責(zé)記錄：寫保護(hù)，數(shù)據(jù)保持，忙狀態(tài)等

• 在W25Q64中，狀態(tài)寄存器有兩個(gè)，其中狀態(tài)寄存器1有：busy位和寫使能鎖存位
• 寫使能鎖存位會(huì)在執(zhí)行完寫使能后置1，擦除操作會(huì)導(dǎo)致寫失能，即一個(gè)寫使能只能保證后續(xù)的一條指令執(zhí)行

寫控制邏輯：與外部的wp引腳相連，實(shí)現(xiàn)寫保護(hù)（連接狀態(tài)寄存器）

高電壓發(fā)生器：flash掉電不丟失的存儲(chǔ)器一般都有高壓源，使得數(shù)據(jù)保持在某個(gè)狀態(tài)

頁(yè)地址鎖存/計(jì)數(shù)器：保存前兩個(gè)字節(jié)的地址，通過(guò)寫保護(hù)和行解碼找到對(duì)應(yīng)的頁(yè)。計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)地址加一操作

字節(jié)地址鎖存/計(jì)數(shù)器：保存最后一個(gè)字節(jié)的地址，通過(guò)列解碼和256字節(jié)緩存找到對(duì)應(yīng)的地址。計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)地址加一操作

256字節(jié)緩存：RAM存儲(chǔ)器，因?yàn)镾PI高頻，而存儲(chǔ)空間操作是低頻的，需要緩沖。也規(guī)定了連續(xù)寫入的數(shù)據(jù)量不能超過(guò)256字節(jié)，數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫入flash時(shí)會(huì)將狀態(tài)設(shè)置為忙（有連接狀態(tài)寄存器）

芯片ID：

指令集：

九、Flash操作注意事項(xiàng)

寫入操作時(shí)：

• 寫入操作前，必須先進(jìn)行寫使能
• 每個(gè)數(shù)據(jù)位只能由1改寫為0，不能由0改寫為1，所以要先執(zhí)行擦除指令
• 寫入數(shù)據(jù)前必須先擦除，擦除后，所有數(shù)據(jù)位變?yōu)?
• 擦除必須按最小擦除單元進(jìn)行【最小的擦除單元是一個(gè)扇區(qū)】
• 連續(xù)寫入多字節(jié)時(shí)，最多寫入一頁(yè)的數(shù)據(jù)【即256字節(jié)，因?yàn)榫彌_區(qū)的緣故】，超過(guò)頁(yè)尾位置的數(shù)據(jù)，會(huì)回到頁(yè)首覆蓋寫入
• 寫入操作結(jié)束后，芯片進(jìn)入忙狀態(tài)，不響應(yīng)新的讀寫操作【ps：擦除操作也會(huì)進(jìn)入忙狀態(tài)】

讀取操作時(shí)：

• 直接調(diào)用讀取時(shí)序，無(wú)需使能，無(wú)需額外操作，沒(méi)有頁(yè)的限制，讀取操作結(jié)束后不會(huì)進(jìn)入忙狀態(tài)，但不能在忙狀態(tài)時(shí)讀取

十、軟件SPI讀寫W25Q64

電路設(shè)計(jì)

關(guān)鍵代碼

MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//輸出為推挽輸出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//輸入為上拉輸入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//初始化后將片選信號(hào)置高電平，設(shè)置SPI為模式0
	MySPI_W_SS(1);
	MySPI_W_SCK(0);
}


//開(kāi)始的時(shí)序
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}
//結(jié)束的時(shí)序
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
} 
//模式0，置換一個(gè)字節(jié)的時(shí)序
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		//使用其他模式就是按不同的順序執(zhí)行下列代碼，以及修改SCK的初始值
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

MySPI.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_H

void MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);

#endif

W25Q64.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();//底層spi時(shí)序初始化
}

//根據(jù)指令集寫功能函數(shù)

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);
	//不同時(shí)序調(diào)用得到的返回值是不同的
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	MySPI_Stop();
}
//寫使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
	MySPI_Stop();
}
//直接讀取寄存器的busy位，如果為0則表示不忙，程序返回，否則會(huì)阻塞
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)
	{
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}
//按頁(yè)寫入
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable();//寫入操作前，必須先進(jìn)行寫使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	//Count不能定義為uint8_t ，因?yàn)樽畲笫?55字節(jié)，而不是256字節(jié)
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}
//扇區(qū)擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();//寫入操作前，必須先進(jìn)行寫使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}
//按頁(yè)讀取
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);//置換有用數(shù)據(jù)
	}
	MySPI_Stop();
}

W25Q64.h

#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_H

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

W25Q64_Ins.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

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"

uint8_t MID;
uint16_t DID;

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	OLED_Init();
	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, DID, 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)
	{
		
	}
}

十一、硬件SPI讀寫W25Q64

STM32——SPI外設(shè)總線

參考視頻：江科大自化協(xié)文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-666354.html

到了這里，關(guān)于STM32——SPI通信的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！