7、单片机与W25Q128(FLASH)的通讯(SPI)实验(STM32F407)

SPI接口简介

SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI接口框图

 SPI内部结构简明图

 

SPI接口一般使用4条线通信：

MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。

MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。

SCLK时钟信号，由主设备产生。

CS从设备片选信号，由主设备控制。

 SPI工作原理总结

 硬件上为4根线。

主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

STM32 SPI接口可配置为支持SPI协议或者支持I2S音频协议，默认是SPI模式。可以通过软件切换到I2S方式。 

 

 

 

 

 

SPI引脚配置（3个SPI)

哪些引脚可以复用为SPIx的相应功能引脚，需要查数据手册。

常用寄存器

 SPI控制寄存器1（SPI_CR1)

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_I2S配置寄存器（SPI_I2S_CFGR)

SPI_I2S预分频寄存器（SPI_I2SPR)

 

程序源码

w25qxx.h

#ifndef __W25QXX_H
#define __W25QXX_H
#include "sys.h"// W25X系列/Q系列芯片列表
// W25Q80  ID  0XEF13
// W25Q16  ID  0XEF14
// W25Q32  ID  0XEF15
// W25Q64  ID  0XEF16
// W25Q128 ID  0XEF17
#define W25Q80 0XEF13
#define W25Q16 0XEF14
#define W25Q32 0XEF15
#define W25Q64 0XEF16
#define W25Q128 0XEF17#define NM25Q80 0X5213
#define NM25Q16 0X5214
#define NM25Q32 0X5215
#define NM25Q64 0X5216
#define NM25Q128 0X5217
#define NM25Q256 0X5218extern u16 W25QXX_TYPE; // 定义W25QXX芯片型号#define W25QXX_CS PBout(14) // W25QXX的片选信号//
// 指令表
#define W25X_WriteEnable 0x06
#define W25X_WriteDisable 0x04
#define W25X_ReadStatusReg 0x05
#define W25X_WriteStatusReg 0x01
#define W25X_ReadData 0x03
#define W25X_FastReadData 0x0B
#define W25X_FastReadDual 0x3B
#define W25X_PageProgram 0x02
#define W25X_BlockErase 0xD8
#define W25X_SectorErase 0x20
#define W25X_ChipErase 0xC7
#define W25X_PowerDown 0xB9
#define W25X_ReleasePowerDown 0xAB
#define W25X_DeviceID 0xAB
#define W25X_ManufactDeviceID 0x90
#define W25X_JedecDeviceID 0x9Fvoid W25QXX_Init(void);
u16 W25QXX_ReadID(void);         // 读取FLASH ID
u8 W25QXX_ReadSR(void);          // 读取状态寄存器
void W25QXX_Write_SR(u8 sr);     // 写状态寄存器
void W25QXX_Write_Enable(void);  // 写使能
void W25QXX_Write_Disable(void); // 写保护
void W25QXX_Write_NoCheck(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite);
void W25QXX_Read(u8 *pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead);    // 读取flash
void W25QXX_Write(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite); // 写入flash
void W25QXX_Erase_Chip(void);                                      // 整片擦除
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr);                            // 扇区擦除
void W25QXX_Wait_Busy(void);                                       // 等待空闲
void W25QXX_PowerDown(void);                                       // 进入掉电模式
void W25QXX_WAKEUP(void);                                          // 唤醒
#endif

w25qxx.c

#include "w25qxx.h"
#include "spi.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"u16 W25QXX_TYPE = W25Q128; // 默认是W25Q128// 4Kbytes为一个Sector
// 16个扇区为1个Block
// W25Q128
// 容量为16M字节,共有128个Block,4096个Sector// 初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); // 使能GPIOB时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE); // 使能GPIOG时钟// GPIOB14GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;		   // PB14GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;	   // 输出GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;	   // 推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; // 100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;	   // 上拉GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);			   // 初始化GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; // PG7GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);	  // 初始化GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_7);		// PG7输出1,防止NRF干扰SPI FLASH的通信W25QXX_CS = 1;							// SPI FLASH不选中SPI1_Init();							// 初始化SPISPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_4); // 设置为21M时钟W25QXX_TYPE = W25QXX_ReadID();			// 读取FLASH ID.
}// 读取W25QXX的状态寄存器
// BIT7  6   5   4   3   2   1   0
// SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
// SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用
// TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
// WEL:写使能锁定
// BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)
// 默认:0x00
u8 W25QXX_ReadSR(void)
{u8 byte = 0;W25QXX_CS = 0;							// 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadStatusReg); // 发送读取状态寄存器命令byte = SPI1_ReadWriteByte(0Xff);		// 读取一个字节W25QXX_CS = 1;							// 取消片选return byte;
}
// 写W25QXX状态寄存器
// 只有SPR,TB,BP2,BP1,BP0(bit 7,5,4,3,2)可以写!!!
void W25QXX_Write_SR(u8 sr)
{W25QXX_CS = 0;							 // 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteStatusReg); // 发送写取状态寄存器命令SPI1_ReadWriteByte(sr);					 // 写入一个字节W25QXX_CS = 1;							 // 取消片选
}
// W25QXX写使能
// 将WEL置位
void W25QXX_Write_Enable(void)
{W25QXX_CS = 0;						  // 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteEnable); // 发送写使能W25QXX_CS = 1;						  // 取消片选
}
// W25QXX写禁止
// 将WEL清零
void W25QXX_Write_Disable(void)
{W25QXX_CS = 0;						   // 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteDisable); // 发送写禁止指令W25QXX_CS = 1;						   // 取消片选
}
// 读取芯片ID
// 返回值如下:
// 0XEF13,表示芯片型号为W25Q80
// 0XEF14,表示芯片型号为W25Q16
// 0XEF15,表示芯片型号为W25Q32
// 0XEF16,表示芯片型号为W25Q64
// 0XEF17,表示芯片型号为W25Q128
u16 W25QXX_ReadID(void)
{u16 Temp = 0;W25QXX_CS = 0;SPI1_ReadWriteByte(0x90); // 发送读取ID命令SPI1_ReadWriteByte(0x00);SPI1_ReadWriteByte(0x00);SPI1_ReadWriteByte(0x00);Temp |= SPI1_ReadWriteByte(0xFF) << 8;Temp |= SPI1_ReadWriteByte(0xFF);W25QXX_CS = 1;return Temp;
}
// 读取SPI FLASH
// 在指定地址开始读取指定长度的数据
// pBuffer:数据存储区
// ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
// NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8 *pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
{u16 i;W25QXX_CS = 0;								// 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData);			// 发送读取命令SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr) >> 16)); // 发送24bit地址SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr) >> 8));SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);for (i = 0; i < NumByteToRead; i++){pBuffer[i] = SPI1_ReadWriteByte(0XFF); // 循环读数}W25QXX_CS = 1;
}
// SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
// 在指定地址开始写入最大256字节的数据
// pBuffer:数据存储区
// WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
// NumByteToWrite:要写入的字节数(最大256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!
void W25QXX_Write_Page(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{u16 i;W25QXX_Write_Enable();						 // SET WELW25QXX_CS = 0;								 // 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_PageProgram);		 // 发送写页命令SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr) >> 16)); // 发送24bit地址SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr) >> 8));SPI1_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);for (i = 0; i < NumByteToWrite; i++)SPI1_ReadWriteByte(pBuffer[i]); // 循环写数W25QXX_CS = 1;						// 取消片选W25QXX_Wait_Busy();					// 等待写入结束
}
// 无检验写SPI FLASH
// 必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
// 具有自动换页功能
// 在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
// pBuffer:数据存储区
// WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
// NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
// CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{u16 pageremain;pageremain = 256 - WriteAddr % 256; // 单页剩余的字节数if (NumByteToWrite <= pageremain)pageremain = NumByteToWrite; // 不大于256个字节while (1){W25QXX_Write_Page(pBuffer, WriteAddr, pageremain);if (NumByteToWrite == pageremain)break; // 写入结束了else	   // NumByteToWrite>pageremain{pBuffer += pageremain;WriteAddr += pageremain;NumByteToWrite -= pageremain; // 减去已经写入了的字节数if (NumByteToWrite > 256)pageremain = 256; // 一次可以写入256个字节elsepageremain = NumByteToWrite; // 不够256个字节了}};
}
// 写SPI FLASH
// 在指定地址开始写入指定长度的数据
// 该函数带擦除操作!
// pBuffer:数据存储区
// WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
// NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
u8 W25QXX_BUFFER[4096];/*首先读取整个扇区的内容到W25QXX_BUF中。
接下来，使用一个for循环对读取的数据进行校验。循环从0到secremain（扇区剩余空间大小）遍历W25QXX_BUF数组。如果发现W25QXX_BUF[secoff+i]不等于0xFF，说明需要擦除这个扇区。
如果需要擦除扇区，则调用W25QXX_Erase_Sector函数擦除该扇区。然后，使用一个for循环将pBuffer中的数据复制到W25QXX_BUF中。
最后，调用W25QXX_Write_NoCheck函数将W25QXX_BUF中的数据写入整个扇区。如果不需要擦除扇区，则直接调用W25QXX_Write_NoCheck函数将pBuffer中的数据写入扇区剩余区间。
接下来，根据写入的情况进行一些处理。如果NumByteToWrite等于secremain，说明写入已经结束，此时跳出循环。否则，继续写入下一个扇区。
在写入下一个扇区之前，需要更新一些变量的值。secpos增加1，表示下一个扇区的地址。secoff重置为0，表示下一个扇区的偏移位置。
pBuffer和WriteAddr分别增加secremain，表示指针和写地址的偏移量。NumByteToWrite减去secremain，表示剩余要写入的字节数。
如果剩余要写入的字节数大于4096，说明下一个扇区还是写不完，所以secremain设置为4096。否则，secremain设置为剩余要写入的字节数。*/
void W25QXX_Write(u8 *pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite) // pBuffer表示要写入的数据缓冲区，WriteAddr表示写入的起始地址，NumByteToWrite表示要写入的字节数
{u32 secpos;					// 表示扇区地址u16 secoff;					// 表示在扇区内的偏移u16 secremain;				// 表示扇区剩余空间大小u16 i;						// 表示循环计数器u8 *W25QXX_BUF;				// W25QXX_BUF表示W25QXX缓冲区W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER; // 将W25QXX_BUF指向W25QXX_BUFFER。secpos = WriteAddr / 4096;	// 扇区地址secoff = WriteAddr % 4096;	// 在扇区内的偏移secremain = 4096 - secoff;	// 扇区剩余空间大小// printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用if (NumByteToWrite <= secremain)secremain = NumByteToWrite; // 不大于4096个字节while (1){W25QXX_Read(W25QXX_BUF, secpos * 4096, 4096); // 读出整个扇区的内容for (i = 0; i < secremain; i++)				  // 校验数据{if (W25QXX_BUF[secoff + i] != 0XFF)break; // 需要擦除}if (i < secremain) // 需要擦除，因为如果如果不需要擦除，i经过上面的校验应该大于secremain{W25QXX_Erase_Sector(secpos);	// 擦除这个扇区for (i = 0; i < secremain; i++) // 复制{W25QXX_BUF[i + secoff] = pBuffer[i];}W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF, secpos * 4096, 4096); // 写入整个扇区}elseW25QXX_Write_NoCheck(pBuffer, WriteAddr, secremain); // 写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间.if (NumByteToWrite == secremain)break; // 写入结束了else	   // 写入未结束{secpos++;	// 扇区地址增1secoff = 0; // 偏移位置为0pBuffer += secremain;		 // 指针偏移WriteAddr += secremain;		 // 写地址偏移NumByteToWrite -= secremain; // 字节数递减if (NumByteToWrite > 4096)secremain = 4096; // 下一个扇区还是写不完elsesecremain = NumByteToWrite; // 下一个扇区可以写完了}};
}
// 擦除整个芯片
// 等待时间超长...
void W25QXX_Erase_Chip(void)
{W25QXX_Write_Enable(); // SET WELW25QXX_Wait_Busy();W25QXX_CS = 0;						// 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_ChipErase); // 发送片擦除命令W25QXX_CS = 1;						// 取消片选W25QXX_Wait_Busy();					// 等待芯片擦除结束
}
// 擦除一个扇区
// Dst_Addr:扇区地址 根据实际容量设置
// 擦除一个山区的最少时间:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)
{// 监视falsh擦除情况,测试用printf("fe:%x\r\n", Dst_Addr);Dst_Addr *= 4096;W25QXX_Write_Enable(); // SET WELW25QXX_Wait_Busy();W25QXX_CS = 0;								// 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_SectorErase);		// 发送扇区擦除指令SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr) >> 16)); // 发送24bit地址SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr) >> 8));SPI1_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);W25QXX_CS = 1;		// 取消片选W25QXX_Wait_Busy(); // 等待擦除完成
}
// 等待空闲
void W25QXX_Wait_Busy(void)
{while ((W25QXX_ReadSR() & 0x01) == 0x01); // 等待BUSY位清空
}
// 进入掉电模式
void W25QXX_PowerDown(void)
{W25QXX_CS = 0;						// 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_PowerDown); // 发送掉电命令W25QXX_CS = 1;						// 取消片选delay_us(3);						// 等待TPD
}
// 唤醒
void W25QXX_WAKEUP(void)
{W25QXX_CS = 0;							   // 使能器件SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReleasePowerDown); //  send W25X_PowerDown command 0xABW25QXX_CS = 1;							   // 取消片选delay_us(3);							   // 等待TRES1
}

main.c

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "spi.h"
#include "w25qxx.h"
#include "key.h"// 要写入到W25Q16的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[] = {"Explorer STM32F4 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)int main(void)
{u8 key;u16 i = 0;u8 datatemp[SIZE];u32 FLASH_SIZE;u16 id = 0;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 设置系统中断优先级分组2delay_init(168);								// 初始化延时函数uart_init(115200);								// 初始化串口波特率为115200LED_Init();										// 初始化LEDLCD_Init();										// LCD初始化KEY_Init();										// 按键初始化W25QXX_Init();									// W25QXX初始化POINT_COLOR = RED;LCD_ShowString(30, 50, 200, 16, 16, "Explorer STM32F4");LCD_ShowString(30, 70, 200, 16, 16, "SPI TEST");LCD_ShowString(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK");LCD_ShowString(30, 110, 200, 16, 16, "2023/12/01");LCD_ShowString(30, 130, 200, 16, 16, "KEY1:Write  KEY0:Read"); // 显示提示信息while (1){id = W25QXX_ReadID();if (id == W25Q128 || id == NM25Q128)break;LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "W25Q128 Check Failed!");delay_ms(500);LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "Please Check!        ");delay_ms(500);LED0 = !LED0; // DS0闪烁}LCD_ShowString(30, 150, 200, 16, 16, "W25Q128 Ready!");FLASH_SIZE = 16 * 1024 * 1024; // FLASH 大小为16字节POINT_COLOR = BLUE;			   // 设置字体为蓝色while (1){key = KEY_Scan(0);if (key == KEY1_PRES) // KEY1按下,写入W25Q128{LCD_Fill(0, 170, 239, 319, WHITE); // 清除半屏LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "Start Write W25Q128....");W25QXX_Write((u8 *)TEXT_Buffer, FLASH_SIZE - 100, SIZE);		 // 从倒数第100个地址处开始,写入SIZE长度的数据LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "W25Q128 Write Finished!"); // 提示传送完成}if (key == KEY0_PRES) // KEY0按下,读取字符串并显示{LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "Start Read W25Q128.... ");W25QXX_Read(datatemp, FLASH_SIZE - 100, SIZE);					// 从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节LCD_ShowString(30, 170, 200, 16, 16, "The Data Readed Is:   "); // 提示传送完成LCD_ShowString(30, 190, 200, 16, 16, datatemp);					// 显示读到的字符串}i++;delay_ms(10);if (i == 20){LED0 = !LED0; // 提示系统正在运行i = 0;}}
}

实验效果

SPI实验