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STM32中的SPI通信协议

article 2025/6/8 13:35:01

IIC和SPI的对比

IIC是半双工的通信，无法同时收发信息；SPI是全双工通讯，可以同时收发信息；
IIC的通讯协议较复杂，而SPI通讯协议较简单；
IIC需要通过地址选择从机，而SPI只主要一个引脚即可选中从机；
IIC的通讯速率一般是100kH左右，而SPI可达50MHz；
IIC的通讯线较少，而SPI需要较多。

SPI的介绍

什么是SPI ？

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速全双工同步的通信总线，并且在芯片上只有四个引脚，同时PCB布线上节省空间，比较方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如 AT91RM9200 。

SPI的物理架构

SPI总线包含4个通讯线，分别是 SS , MISO , MOSI , SCL 。他们的作用如下：

MISO – Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI – Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入
SCK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生
CS – Chip Select，片选信号，由主设备控制

STM32F1 系列芯片有 3 个SPI 接口。

SPI工作原理

上述中是高位先行；
习惯上利用0XFF将从机上的数据交换出来。

SPI通信只有主模式和从模式，没有明确的读和写操作之分。实际上，外设的写操作和读操作是同步完成的。在SPI通信中，发送一个数据必然会收到一个数据；如果要接收一个数据，就必须先发送一个数据。

如果只进行写操作，主机可以忽略从设备传输过来的字节，因为主机不需要接收数据。

如果主机要读取从设备的一个字节，那么主机必须发送一个空字节来引发从设备的传输。

说明：（狸猫换太子）

上述中主机和从机高位先行，主机移位寄存器中，高位移出，其余整体向左移一位；同时，从机中的高位移到主机的低位中的空位，从机其余位向左移一位；主机的高位放到从机移位寄存器中空出来的低位。通过波特率发生器：一个时钟信号主从机中数据交换一位，8个时钟信号后，数据全部交换完成。

具体流程：

SPI 通信中，主机和从机都有一个串行移位寄存器。主机通过向自己的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起传输。

首先，拉低相应的 SS 信号线，表示与特定的从机进行通信。
主机通过发送 SCLK 时钟信号告诉从机进行数据的读写操作。
注意，SCLK 时钟信号可以是低电平有效或高电平有效，因为SPI有不同的模式（下文将介绍）。
主机将要发送的数据写入发送数据缓冲区，然后通过移位寄存器逐位地将数据传输给从机的串行移位寄存器，使用 MOSI 信号线进行传输。同时，从机的 MOSI 接口接收到的数据也经过移位寄存器一位一位地移到接收缓冲区。
从机也通过 MISO 信号线将自己串行移位寄存器中的内容返回给主机。同时，从机通过MOSI 信号线接收主机发送的数据。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

框图（参考手册）：

简图：

SPI工作模式

时钟极性（CPOL）

没有数据传输时时钟线SCL的空闲状态电平

0：SCK在空闲状态保持低电平

1：SCK在空闲状态保持高电平

时钟相位（CPHA）

时钟线（SCK）在第几个时钟边沿采样数据

0：SCK在第一个（奇数）边沿进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存；

1：SCK的第二个（偶数）边沿进行数据位采样，数据在第二个时钟边沿被锁村。

**SPI的工作模式（开始和采样）**
SPI 工作模式	CPOL	CPHA	SCL 空闲状态	采样边沿	采样时刻
0	0	0	低电平	上升沿	奇数边沿
1	0	1	低电平	下降沿	偶数边沿
2	1	0	高电平	下降沿	奇数边沿
3	1	1	高电平	上升沿	偶数边沿

注：红色字体是常用的：模式0和模式3

时序图

模式0时序图：

模式3时序图：

STM32F103板上SPI的引脚

SPI1引脚:

SPI2引脚：

SP3引脚
STM32F1系列根据Flash和RAM容量分为不同型号：
- 低/中容量（Low/Medium-density）：如STM32F103C8T6（64KB Flash），仅支持SPI1和SPI2。
- 高容量（High-density）：如STM32F103ZE（512KB Flash），额外支持SPI3。
SPI3是高容量型号的专属外设，STM32F103C8T6作为中容量型号，硬件上未集成SPI3模块。

SPI寄存器（控制、状态、数据）

SPI控制寄存器 1(SPI_CR1)(I2 S模式下不使用)

SPI控制寄存器 2(SPI_CR2)

SPI 状态寄存器(SPI_SR)

SPI 数据寄存器(SPI_DR)

SPI的库函数（常用的有三个）

初始化SPI的函数：

数据发送的函数：

数据接收的函数：

常用的是：既发送又接受的函数

模块：W25Q128存储器介绍

电脑保存数据的有RAM、ROM、FLASH （类似于硬盘，断电保存的数据不丢失）

W25Q128是华邦公司推出的一款容量为 128M-bit（相当于 16M-byte）的 SPI 接口的 NOR Flash 芯片。

NOR Flash：一种非易失性存储器，它可以在断电或掉电后仍然保持存储的数据，因此被广泛应用于长期数据存储。它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除的特性。Flash 是有一个物理特性：只能写 0 ，不能写 1 ，写 1 靠擦除。（读、改、写）

它还有很多不同容量的好兄弟：

型号	容量
W25Q256	256M bits = 32M bytes
W25Q128	128M bits = 16M bytes
W25Q64	64M bits = 8M bytes
W25Q32	32M bits = 4M bytes
W25Q16	16M bits = 2M bytes
W25Q80	8M bits = 1M bytes

W25Q128模块参数及引脚介绍

参数：

产品容量：128M-bit（16M-byte）
时钟频率：<=104MHz
工作电压：2.7V ~ 3.6V
工作温度：-40℃ ~ +85℃
支持 SPI 接口

参考接线：

W25Q128	STM32	备注
VCC	3.3（5.5v会烧掉）	电源正极
CS	A4 / B12	片选信号
DO	A6 / B14	输出
GND	G	电源负极
CLK	A5 / B13	时钟信号
DI	A7 / B15	输入

W25Q128存储架构

W25Q128 将 16M 的容量分为 256 个块（block），每块 64K 字节；每块分为 16 个扇区（sector），一扇区 4K 字节；每扇区分为 16 个页（page），一页 256 字节。

这里不好理解的话，和书进行类比：

W25Q128	256 个块（block）:每块 64K 字节	每块16 个扇区：4K 字节	每扇区分为 16 个页（page）	一页 256 字节
书	256 章: 每章64K字	每章 16小节：4K 字	每一小节有16 页	一页 256 字

地址范围:

128M-bit = 16M-byte = 16 x 2^10K-byte = 16 x 2^10 x 2^10 byte = 2^24 byte = 16，777，216 个字节。

上述中，一个字节代表一个地址，总共是24位的地址，将2^24的字节数量转化成16进制就是0xFFF FFF。所以，地址范围（0x0~0xFFF FFF）。

W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。这样我们需要给 W25Q128 开辟一个至少 4K 的缓存区。

W25Q128常用指令

指令（HEX）	名称	作用
0x06	写使能	写入数据/擦除之前，必须先发送该指令
0x05	读 SR1	判定 FLASH 是否处于空闲状态，擦除用
0x03	读数据	读取数据
0x02	页写	写入数据，最多写256字节
0x20	扇区擦除	扇区擦除指令，最小擦除单位

具体工作时序如下:

写使能 (06H)

执行页写，扇区擦除，块擦除，片擦除，写状态寄存器等指令前，需要写使能。

拉低 CS 片选 → 发送 06H → 拉高 CS 片选

读SR1（05H）

拉低 CS 片选 → 发送 05H → 返回SR1的值 → 拉高 CS 片选

读数据（03H）

拉低 CS 片选 → 发送 03H → 发送24位地址 （封装函数）→ 读取数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

页写 (02H)

页写命令最多可以向FLASH传输256个字节的数据。

写使能->拉低 CS 片选 → 发送 02H → 发送24位地址 → 发送数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

扇区擦除（20H）

写入数据前，检查内存空间是否全部都是 0xFF ，不满足需擦除。

写使能 - 等待空闲-拉低 CS 片选 → 发送擦除 20H→ 发送24位地址 → 拉高 CS 片选-等待空闲

W25Q128状态寄存器

W25Q128 一共有 3 个状态寄存器，它们的作用是跟踪芯片的状态。

这里我们只介绍常用的状态寄存器 1：

我们需要记住的是在状态寄存器 1 中：

BUSY：指示当前的状态，0 表示空闲；1 表示忙碌。

WEL：写使能锁定，为 1 时，可以操作页/扇区/块；为 0 时，写禁止。

小实验1：W25Q128的实验（封装SPI接口）

实验目的：

读写W25Q128

硬件清单：

W25Q128、开发板、ST-Link、USB转TTL

硬件接线：

STM32	W25Q128
PA4	CS
PA5	CLK
PA6	DO
PA7	DI
3V3	VCC
GND	GND

w25q128.c文件代码：

流程：

初始化SPI的函数；
初始化SPI各个引脚的函数；注意各引脚要求的输入输出模式。
封装一个发送和接受一个字节的函数：利用HAL_SPI_TransmitRecive（）函数实现。

#include "w25q128.h"SPI_HandleTypeDef spi_handle = {0};
void w25q128_spi_init(void){spi_handle.Instance = SPI1;spi_handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //配置成主模式还是从模式spi_handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;                 //配置全双工还是半双工spi_handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;      //数据的长度：8bitspi_handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;      //CPOL = 0spi_handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;          //CPHA = 奇数边沿检测spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               //软件控制SS引脚配置spi_handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;    //波特率分频 ：256spi_handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;             //高位先行还是低位先行：高位先行//下面这三个先不需要考虑spi_handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;spi_handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;spi_handle.Init.CRCPolynomial = 7;HAL_SPI_Init(&spi_handle);
}void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi){if(hspi->Instance == SPI1){__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;//NSS引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_4;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;gpio_initstruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);//SCL引脚和输出引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5 |GPIO_PIN_7;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);//输入引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_6;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);} 
}uint8_t w25q128_spi_swap_byte(uint8_t data){uint8_t recv_data = 0;HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle,&data, &recv_data,1,1000);  ///size:尺寸代表是多少个字节return recv_data;
}

小实验2:封装读取芯片ID接口

文件代码：（在实验1的基础上添加）

发送的指令：

返回的数据

上述中，发送的字节：FLASH_ManufactureDivceID是 0x90。
上述，由于返回的是两个八位的数，将其保存在一个16位的变量中，因此使用位运算符。

小实验3：读写W25Q128（封装命令接口）

文件代码：

w25q128.c文件代码：

代码配置流程：

初始化spi函数；
初始化GPIO的函数MspInit（）；
封装数据交换的函数；HAL_SPI_TransmitRecive ( )。
接下来封装指令的函数：使能、读状态寄存器1（判断busy位，封装等待空闲的函数while（））、读数据、页写、擦除等指令。
在主函数中：擦除、写数据、读数据。

#include "w25q128.h"SPI_HandleTypeDef spi_handle = {0};
void w25q128_spi_init(void){spi_handle.Instance = SPI1;spi_handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //配置成主模式还是从模式spi_handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;                 //配置全双工还是半双工spi_handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;      //数据的长度：8bitspi_handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;      //CPOL = 0spi_handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;          //CPHA = 奇数边沿检测spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               //软件控制SS引脚配置spi_handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;    //波特率分频 ：256spi_handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;             //高位先行还是低位先行：高位先行//下面这三个先不需要考虑spi_handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;spi_handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;spi_handle.Init.CRCPolynomial = 7;HAL_SPI_Init(&spi_handle);
}void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi){if(hspi->Instance == SPI1){__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;//NSS引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_4;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;gpio_initstruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);//SCL引脚和输出引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5 |GPIO_PIN_7;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);//输入引脚gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_6;gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);} 
}uint8_t w25q128_spi_swap_byte(uint8_t data){uint8_t recv_data = 0;HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle,&data, &recv_data,1,1000);  ///size:尺寸代表是多少个字节return recv_data;
}//初始化w25q128模块
void w25q128_init(void){w25q128_spi_init();
}//测试：读ID
uint16_t w25q128_read_id(void){uint16_t device_id = 0;W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ManufactDeviceID);w25q128_spi_swap_byte(0x00);w25q128_spi_swap_byte(0x00);w25q128_spi_swap_byte(0x00);device_id = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye) << 8;  /* 将数据放在高8位 */device_id |= w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);      /* 利用 |= 将数据放在低8位，并保留高8位的数据 */W25Q128_CS(1);return device_id; 
}//写使能void w25q128_write_enable(void)
{W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_WriteEable);W25Q128_CS(1);
}//读SR1寄存器
uint8_t w25q128_read_sr1(void){uint8_t recv_data = 0;W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadStatusReg1);recv_data = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);W25Q128_CS(1);return recv_data;
}//发送地址的函数
void w25q128_send_address(uint32_t address){   //地址是3个字节，先发送高位，在发送中位，最后发送低位w25q128_spi_swap_byte(address >> 16);//高位w25q128_spi_swap_byte(address >> 8);  //中位：由于函数是一个8位的，因此，移动后数据后，高位自动去掉。w25q128_spi_swap_byte(address);
}//忙等待的函数
void w25q128_wait_busy(void){while ((w25q128_read_sr1() & 0x01) == 0x01);  //判断最后一位是不是1
}//读数据
void w25q128_read_data(uint32_t address,uint8_t *data,uint32_t size){uint32_t i = 0;W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadDate);w25q128_send_address(address);for(i = 0;i< size; i++)data[i] =  w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);W25Q128_CS(1);}
//页写:写的是256个字节，
void w25q128_write_page(uint32_t address,uint8_t *data,uint16_t size){   //代表的是字节数量uint16_t i = 0;w25q128_write_enable();W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_PageProgram);w25q128_send_address(address);for(i = 0;i < size; i++)w25q128_spi_swap_byte(data[i]);W25Q128_CS(1);//忙等待，写入数据是需要花费时间的；看状态寄存器的最后一位是0还是1w25q128_wait_busy();
}
//扇区擦除
void w25q128_erase_sector(uint32_t address){w25q128_write_enable();w25q128_wait_busy();W25Q128_CS(0);w25q128_spi_swap_byte(FLASH_SectorErase);w25q128_send_address(address);W25Q128_CS(1);w25q128_wait_busy();
}
//如何指定变量的数据类型是多少

w25128.h文件代码

定义一个宏函数：读取CS引脚的电平，是高电平还是低电平；
将指令表进行宏定义，便于读写方便。

#ifndef __W25Q128_H__
#define __W25Q128_H__
#include "stm32f1xx.h"#define W25Q128_CS(x)  do{x ? \HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET): \HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_RESET);\}while(0)/* 指令表 */
#define FLASH_ManufactDeviceID          0x90
#define FLASH_WriteEable                0x06
#define FLASH_ReadStatusReg1            0x05
#define FLASH_ReadDate                  0x03
#define FLASH_PageProgram               0x02
#define FLASH_SectorErase               0x20
#define FLASH_DummyBtye                 0xFF                       void w25q128_init(void);
uint16_t w25q128_read_id(void);
void w25q128_read_data(uint32_t address,uint8_t *data,uint32_t size);
void w25q128_write_page(uint32_t address,uint8_t *data,uint16_t size);
void w25q128_erase_sector(uint32_t address);                       
#endif

main.c文件代码

#include "sys.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "uart1.h"
#include "w25q128.h"
uint8_t data_write[4] = {0xAA,0xBB,0xEE,0xDD};
uint8_t data_read[4] = {0};int main(void)
{HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */led_init();                         /* LED初始化 */uart1_init(115200);printf("hello,world\r\n");w25q128_init();uint16_t device_id = w25q128_read_id();printf("device_id = %X \r\n",device_id);  /* %X是16进制，返回EF17 */w25q128_erase_sector(0x000000);w25q128_write_page(0x000000,data_write,4);w25q128_read_data(0x000000,data_read,4);printf("data_read: %X,%X,%X,%X\r\n",data_read[0],data_read[1],data_read[2],data_read[3]);while(1){}
}

总结：

相关的位运算符的使用：判断第一位是0 还是 1： & = 0x01、<<、将数据放在高8位 << 8、将数据放在低八位利用 “| =” ；
熟悉模块的相关指令；读、写、擦除、读寄存器状态、使能。