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嵌入式开发之STM32学习笔记day18

article 2025/6/7 1:30:02

STM32F103C8T6 SPI通信读写W25Q64

1 W25Q64简介

W25Qxx系列是一种低成本、小型化且易于使用的非易失性存储器（NOR Flash），它广泛应用于需要持久化存储数据的各种场景，如数据存储、字库存储以及固件程序存储等。该系列存储器采用Nor Flash存储介质，这种类型的存储器以其快速读取速度和易于编程而受到青睐，特别适合需要频繁读写操作的应用。

W25Qxx系列提供不同的时钟频率选项以适应不同的性能需求，包括80MHz的标准SPI模式、160MHz的双SPI模式以及320MHz的四SPI模式。这些高速模式允许更快的数据传输速率，从而提高系统的整体性能。特别是Quad SPI模式，它通过使用四条数据线同时传输数据，显著提高了数据吞吐量，非常适合对速度要求较高的应用。

总的来说，W25Qxx系列存储器以其可靠性、灵活性和成本效益而受到青睐，是嵌入式系统、物联网设备和消费电子产品中理想的存储解决方案。

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

2 硬件电路

引脚	功能
VCC、GND	电源（2.7~3.6V）
CS（SS）	SPI片选
CLK（SCK）	SPI时钟
DI（MOSI）	SPI主机输出从机输入
DO（MISO）	SPI主机输入从机输出
WP	写保护
HOLD	数据保持

3 W25Q64 框图

这张图展示了W25Q64BV串行闪存（Serial Flash Memory）的内存块结构，其中存储器被划分为128个64KB的块，每个块进一步细分为16个4KB的扇区，地址从0x0000h到0xFFFFh映射到这些块和扇区，每一个扇区又可以分成16页（xx0000-xx00FF)，每一页256个字节。

图中还描绘了SPI接口、命令和控制逻辑（执行指令、读写数据）、状态寄存器（与忙状态、写使能、写保护等功能有关）、页地址锁存器/计数器、字节地址锁存器/计数器、写控制逻辑、高电压生成器、页缓冲区（对一次性写入的数据量限制）以及块保护逻辑等组件，这些组件协同工作以实现数据的读取、写入、擦除和保护等功能，确保数据的完整性和安全性，同时支持高速数据传输。

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

        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（扇区）进行

        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

        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

5 SPI外设简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，广泛应用于微控制器和外围设备之间的数据传输。STM32微控制器系列，如STM32F103C8T6，内置了硬件SPI模块，这些模块能够自动处理时钟信号的生成和数据的发送与接收，从而减轻中央处理器（CPU）的工作负担，提高系统的整体效率。

STM32的SPI模块具有以下特点：

数据帧配置：可以配置为8位或16位数据帧，以适应不同应用的需求。
位顺序：支持高位先行（MSB First）或低位先行（LSB First）的数据传输方式。
时钟频率：SPI时钟频率可配置为总线时钟频率（fPCLK）的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128或1/256分频，提供灵活的速率选择以匹配不同速度的外围设备。
多主机支持：STM32的SPI模块支持多主机模型，允许多个SPI主设备与一个或多个从设备通信。
主/从模式：SPI模块可以配置为主模式或从模式，主模式下SPI模块生成时钟信号，从模式下SPI模块作为从设备响应主设备的时钟信号。
通信模式：SPI可以配置为全双工、半双工或单工通信模式，以适应不同的通信需求。
DMA支持：SPI模块支持直接内存访问（DMA），允许数据在内存和外设之间直接传输，无需CPU干预，进一步提高数据传输的效率。
协议兼容性：STM32的SPI模块兼容I2C协议，这是一种常用的串行通信协议，广泛应用于各种电子设备中。

STM32F103C8T6微控制器提供了两个硬件SPI资源：SPI1和SPI2，这使得该微控制器能够同时与两个外设设备进行通信，增加了系统的扩展性和灵活性。这些SPI资源可以用于连接各种外围设备，如传感器、显示器、存储器等，实现数据的快速传输和处理。

6 SPI框图

STM32微控制器中的SPI模块是一种高效的同步串行通信接口，用于实现主设备与一个或多个从设备之间的数据交换。该模块包括主控电路、波特率发生器、移位寄存器、发送和接收缓冲区等关键组件，它们协同工作以支持全双工或半双工通信模式。SPI模块通过MOSI和MISO线传输数据，并通过SCK线提供同步时钟信号。通信参数如时钟频率、数据帧格式和通信模式可通过SPI_CR1和SPI_CR2寄存器进行配置，以适应不同的通信需求。此外，SPI模块支持通过NSS引脚选择从设备，以及通过DMA减轻CPU负担，实现高速数据传输。该模块的设计使得STM32能够灵活地与外围设备如传感器、显示器和存储器等进行通信，广泛应用于嵌入式系统中。

7 SPI基本结构

这张图展示了一个基于微控制器的串行通信模块的简化框架图。图中包含以下关键组件：

波特率发生器：负责生成用于同步数据传输的时钟信号，该时钟信号通过GPIO（通用输入输出端口）输出。
数据控制器：管理数据传输的逻辑，控制数据的发送和接收过程。
发送数据寄存器（TDR）：存储即将通过串行接口发送的数据。
移位寄存器：用于在发送和接收过程中暂存单个数据位，以便按位串行传输。
接收数据寄存器（RDR）：存储从串行接口接收到的数据。
GPIO（通用输入输出端口）：用于连接到外部设备，进行数据的发送和接收。
开关控制：可能用于控制数据传输的启动和停止，或其他相关的控制信号。

整个流程如下：

数据控制器将数据写入发送数据寄存器（TDR）。
数据从TDR寄存器移动到移位寄存器，然后逐位发送到外部设备。
同时，接收到的数据从外部设备通过GPIO进入接收数据寄存器（RDR）。
波特率发生器生成的时钟信号用于同步发送和接收操作。
GPIO端口用于实际的串行数据传输，连接到外部设备的相应引脚。

8 主模式全双工连续传输

在主模式、全双工模式下（BIDIMODE=0且RXONLY=0）连续传输时，SPI通信过程中TXE（发送使能）、RXNE（接收使能）和BSY（发送缓冲区空）标志的变化示意图，其中SCK是时钟线，MISO/MOSI是数据线，图中显示了连续发送三个数据（0xF1、0xF2、0xF3）的过程，每个数据发送前TXE由硬件设置并由软件清除，而每个数据接收后RXNE由硬件设置并由软件清除，BSY标志则在发送缓冲区为空时由硬件设置，指示可以发送下一个数据。

9 非连续传输

这张图是关于SPI（串行外设接口）在非连续传输发送模式下的TXE/BSY变化示意图，其中BIDIMODE=0表示单向通信模式，RXONLY=0表示接收功能被禁用，仅进行发送操作。图中展示了在CPOL=1和CPHA=1的配置下，数据通过MOSI（主设备输出从设备输入）线以SPI模式发送的过程。图中显示了连续发送三个数据（0xF1, 0xF2, 0xF3）的过程：

软件首先将数据0xF1写入SPI_DR寄存器。
然后等待TXE标志变为高电平，表示SPI控制器准备好发送数据。
数据0xF1被发送后，TXE标志被硬件清除。
接着软件将数据0xF2写入SPI_DR，但需等待TXE标志再次变为高电平。
数据0xF2发送后，同样的过程适用于数据0xF3。

整个过程展示了SPI在非连续传输模式下，如何通过软件控制和硬件标志的协作来实现数据的发送。这种模式下，每次发送数据前都需要软件检查TXE标志，确保数据正确发送。

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