STM32_11（SPI）

news2024/11/16 7:30:14

一、SPI通信

  • SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
  • 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
  • MOSI：是主设备输出、从设备输入的数据信号线；、MISO：主设备输入、从设备输出的数据信号线； 
  • 同步，全双工
  • 支持总线挂载多设备（一主多从）

1. SPI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
  • 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
  • 主机只能选择一个从机，选择多个从机就会导致数据冲突。当从机的SS引脚为高电平，就是从机未被选中，它的MISO引脚必须切换为高阻态，也就是把引脚断开。这样就可以防止一条线有多个输出，而导致的电平冲突问题。

2. 移位示意图

        移位寄存器有一个时钟输入端，因为SPI都是高位先行，所以每来一个时钟，移位寄存器就会向左移位，从机的移位寄存器同理。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。主机移位寄存器左边移出去的数据通过MOSI引脚，输入到从机的移位寄存器的右边，从机移位寄存器的数据根据MISO输入到主机移位寄存器的右边。

        首先规定，波特率发生器时钟上升沿，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。

3. SPI时序基本单元

① 起始条件和终止条件

  • 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

② 模式0

  • 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

总体来说，MOSI和MISO都提前SCK半个周期。

② 模式1

  • 交换一个字节（模式1）
  • CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
  • CPHA=1（时钟相位：决定第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入）：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

        SS高电平时，MISO用一条中间的线表示高阻态，SS下降沿之后，从机的MISO被允许开启输出。SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻态。当SCK为上升沿时，主机和从机同时移除数据，主机通过MOSI移除最高位，此时的MOSI的电平就表示主机要发送数据B7，从机通过MISO移除最高位，此时MISO就表示从机要发送数据B7。之后时钟运行，产生下降沿，此时的主机和从机需同时移入数据，也就是数据采样，这里主机移除B7，进入从机移位寄存器的最低位，从机移除B7，进去主机移位寄存器的最低位。一个时钟脉冲产生完毕，一位数据传输完毕。

③ SPI时序（发送指令）

        在这里我们使用的是模式0，首先SS是高电平，SCK是低电平。SS产生下降沿，时序开始，在下降沿时刻，MOSI和MISO就开始比变换数据，MOSI的指令码仍为0，所以保持低电平不变，MISO从机没有数据发给主机，引脚电平没有变换。从机采样输入，得到0，主机采样输入，得到1。之后主机要发送数据1，SCK下降沿，数据移出，主机将1移出到MOSI，MOSI变高电平。当主机发送0时候，SCK下降沿，MOSI变为0。SCK上升沿，数据采样，从机接收数据为0。总体来说，SCK低电平时变化时期，高电平时读取时期（下降沿变换数据，上升沿采样数据）。

        这个SPI时序代表，主机用0x06换来了从机的0xFF。

④ SPI时序（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）。

⑤ SPI时序（指定地址读）

        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）。

二、SPI外设

  • 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
  • 时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
  • 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
  • STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

1. SPI框图

        首先，移位寄存器右边低位的数据一位一位地从MOSI移出，MISO的数据一位一位地以到做左边移位寄存器的数据高位。

        这个可以控制是低位先行还是高位先行。

        假如我们需要连续发送一串数据，第一个数据写入发送缓冲区（TDR），当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据就会立刻转入移位寄存器，开始移位，这个转入时刻，会置状态寄存器的TXE为1（表示发送寄存器空），紧接着，下一个数据就可以提前写入TDR等待，一旦上个数据发送完成，下一个数据就可以立刻跟进，实现不间断的连续传输。当数据到移位寄存器后，它就会自动产生时钟，将数据移出去，在移除的过程中，MISO数据也会移入。一旦数据移除完成，数据移入也完成。这时，移入的数据就整体从移位寄存器转入到接收缓冲区RDR，这时会将状态寄存器RXNE置1（表示接收寄存器非空）。当我们检测RXNE置1后，就需要尽快把数据从RDR读出来，在下个数据来之前就可以读出RDR ，实现连续接收。

2. SPI基本结构

3. 主模式全双工连续传输(效率更高)

4. 非连续传输(代码友好)

步骤：

1、等待TXE置1；

2、写入数据到TDR寄存器；

3、等待RXNE为1；

4、读取RDR接收的数据。

三、W25Q64模块

  • 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) / 320MHz (Quad SPI)
  • 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

1. W25Q64硬件电路图

 

 

        /CS（/代表低电平有效或者CS上面有一横线也是低电平有效。

        这里的CS对应SS，DI对应MOSI，DO对应MISO。

2. 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
  • 每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1
  • 写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1
  • 擦除必须按最小擦除单元进行（最小的擦除单元是一个扇区4096字节，最大的能把全部擦除）
  • 连续写入多字节时，最多写入一页（256字节）的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入
  • 写入操作结束后，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

四、代码部分

1. SPI软件配置代码

#include "Bsp_SPI.h"

/* SS写数据 */
void Bsp_SPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

/* SCK写数据 */
void Bsp_SPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

/* MOSI写数据 */
void Bsp_SPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

/* MISO读数据 */
uint8_t Bsp_SPI_R_MISO(void)
{
    return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

/* SPI初始化 */
void Bsp_SPI_Init(void)
{
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    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;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    Bsp_SPI_W_SS(1);
    Bsp_SPI_W_SCK(0);

}

/* SPI起始 */
void Bsp_SPI_Start(void)
{
    Bsp_SPI_W_SS(0);
}

/* SPI终止 */
void Bsp_SPI_Stop(void)
{
    Bsp_SPI_W_SS(1);
}

/* MOSI和MISO交换字节 */
/* 模式0 */
uint8_t Bsp_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t ByteReceive = 0x00;

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        Bsp_SPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
        Bsp_SPI_W_SCK(1);
        if (Bsp_SPI_R_MISO() == 1)
        {
            ByteReceive |= (0x80 >> i);
        }
        Bsp_SPI_W_SCK(0);
    }

    return ByteReceive;
}

/* 模式1 */
/*uint8_t Bsp_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t ByteReceive = 0x00;

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        Bsp_SPI_W_SCK(1);
        Bsp_SPI_W_MOSI(ByteSend &(0x80 >> i));
        Bsp_SPI_W_SCK(0);
        if (Bsp_SPI_R_MISO == 1)
        {
            ByteReceive |= (0x80 >> i);
        }
    }

    return ByteReceive;
}*/

/* 模式3 */
/*uint8_t Bsp_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t ByteReceive = 0x00;

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        Bsp_SPI_W_SCK(0);
        Bsp_SPI_W_MOSI(ByteSend &(0x80 >> i));
        Bsp_SPI_W_SCK(1);
        if (Bsp_SPI_R_MISO == 1)
        {
            ByteReceive |= (0x80 >> i);
        }
    }

    return ByteReceive;
}*/

/* 模式2 */
/*uint8_t Bsp_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t ByteReceive = 0x00;

    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        Bsp_SPI_W_MOSI(ByteSend &(0x80 >> i));
        Bsp_SPI_W_SCK(0);
        if (Bsp_SPI_R_MISO == 1)
        {
            ByteReceive |= (0x80 >> i);
        }
        Bsp_SPI_W_SCK(1);
    }

    return ByteReceive;
}*/

2. W25Q64地址封装

#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                // 空地址，代表没用的地址，因为在传输过程中总会只有发送或只有接收的时候

#endif

3. 软件SPI读取W25Q64

#include "Bsp_W25Q64.h"

void W25Q64_Init(void)
{
    Bsp_SPI_Init();
}

/* 读取ID */
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);               // 发送0x9F指令码
    *MID = Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);      // 返回制造厂商ID
    *DID = Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);      // 返回设备ID的高8位
    *DID <<= 8;                         
    *DID |= Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);     // 返回设备ID的低8位
    Bsp_SPI_Stop();
}

/* 使能 */
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);         
    Bsp_SPI_Stop();
}

/* 读状态寄存器1（主要读取BUSY位，判断是否在忙） */
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
    uint32_t TimeOut = 100000;

    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);   
    while ((Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)        // 判断状态寄存器1的最低位，也就是BUSY位是否在忙。0：忙     1：在忙
    {
        TimeOut--;
        if (TimeOut == 0)
        {
            break;
        }
    }
    Bsp_SPI_Stop();
}

/* 页编程 */
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataAarry, uint16_t Length)
{
    W25Q64_WriteEnable();                       // 使能
    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 16);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 8);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address);

    for (uint16_t i = 0; i < Length; i++)
    {
        Bsp_SPI_SwapByte(DataAarry[i]);
    }
    Bsp_SPI_Stop();

    W25Q64_WaitBusy();
}

/* 扇区擦除 */
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
    W25Q64_WriteEnable();                       // 使能
    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 16);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 8);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address);
    Bsp_SPI_Stop();

    W25Q64_WaitBusy();
}

/* 读数据 */
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataAarry, uint32_t Length)
{
    Bsp_SPI_Start();
    Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 16);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address >> 8);
    Bsp_SPI_SwapByte(Address);

    for (uint32_t i = 0; i < Length; i++)
    {
        DataAarry[i] = Bsp_SPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    }
    Bsp_SPI_Stop();
}

4. 硬件SPI读取W25Q64

#include "Bsp_SPI.h"

/* SS写数据 */
void Bsp_SPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

/* SPI初始化 */
void Bsp_SPI_Init(void)
{
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;                    // 分频系数，分频越高速度越快（注意：SPI1是72M，SPI2是36M。因为SPI1是在APB2，SPI2是在APB1）
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;                                            // 选择第一个边沿采样还是第二个边沿采样
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;                                              // 时钟极性：因为在这里选择模式0
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;                                                // CRC校验多项式，默认值7
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                                       // 8位数据帧
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;                      // 双线全双工模式
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                                      // 高位先行
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                                           // 选择向前设备时SPI主机
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                                               // NSS引脚，一般没用到选择软件NSS
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

    Bsp_SPI_W_SS(1);

}

/* SPI起始 */
void Bsp_SPI_Start(void)
{
    Bsp_SPI_W_SS(0);
}

/* SPI终止 */
void Bsp_SPI_Stop(void)
{
    Bsp_SPI_W_SS(1);
}

/* MOSI和MISO交换字节 */
/* 模式0 */
uint8_t Bsp_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint32_t TimeOut = 10000;
    uint8_t ByteReceive;
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != 1)
    {
        TimeOut--;
        if (TimeOut == 0)
        {
            break;
        } 
    }
    SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);
    TimeOut = 10000;
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != 1)
    {
        TimeOut--;
        if (TimeOut == 0)
        {
            break;
        } 
    }
    ByteReceive = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
    return  ByteReceive;
}

5. 主程序

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Bsp_W25Q64.h"

uint8_t MID;
uint16_t DID;
uint8_t ArrayWrite[] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{

    OLED_Init();                        
    W25Q64_Init();

    /* 显示厂商和设备ID号 */
    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, 13, DID, 4);

    W25Q64_SectorErase(0x000000);                    // 只要末尾3个十六进制数为0，那肯定是扇区的起始地址（不擦除，掉电不丢失）。如果不擦除则改写则会数据出错，因为只能1变0不能0变1的操作所以修改数据前得擦除。
    W25Q64_PageProgram(0x00000, ArrayWrite, 4);      // 写入数据ArrayWrite，并且写入的数据不能跨页

    W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);         // 读数据

    /* 显示写入数据 */
    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);

    /* 显示读出数据 */
    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)
    {
        
    }
}

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