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一、SPI 协议简介
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）
具有时钟线 SCK 是同步通信，发送和接收都分别有单独的一根线 MOSI 和 MISO 是全双工模式，支持总线挂载多设备（一主多从）。
二、硬件电路
2.1.SPI的连接
下图是 SPI 协议下的一主多从模式，一个主机与多个从机相互通信，就需要多根 SS 与从机相连，不需要像 IIC 和 CAN 总线协议一样，IIC 指定从机地址来和指定设备通信，CAN 的仲裁段让总线上的设备来竞选谁先发数据，SPI 就像一位大少爷，想和谁通信，就拉一根线与该设备相连接，这样的方法优点是指定从机方式变简单了，缺点是占用的 IO 口增多。
SS 线可以配置为推挽输出，由主机决定是否要和指定从机通信；MISO 线配置为浮空或者上拉输入，等待从机发送信息，主机接收；MOSI 线配置为复用推挽输出，主机发信息给从机；SCK 线配置为推挽输出，由主机提供时钟。
2.2.数据的移位
下面是 SPI 数据传输的具体移位图，高位先行，例如：当时钟的上升沿到来时，主机和从机的移位寄存器就把一个数据移出寄存器，时钟的下降沿到来时，就移入对方的移位寄存器中，有 8 个数据，就要循环 8 次的时钟。双方的时钟源由主机的波特发生率来提供。
如果主机只想发送，主机发送了信息，就一定会收到从机交换来的信息，主机选择不理睬就可以了；如果主机只想接收从机发来的信息，主机需要发送一条无关紧要的数据交换从机发来需要的信息。
2.3.时序基本单元
2.3.1.起始条件和终止条件
数据的传输都要在被选中设备的 SS 线由高电平变为低电平开始，SS 线为低电平期间内传输，SS 线由低电平变为高电平数据传输结束。
2.3.2.模式 0
SPI 数据传输有四个模式，这四个模式由两个变量组成：CPOL (Clock Polarity) 时钟极性；CPHA (Clock Phase) 时钟相位。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。时钟空闲时为低电平，时钟到来的第一个边沿是上升沿，需要移入数据到数据寄存器，那双方的数据在第一个时钟上升沿到来之前就要将数据移出传输线上面，等待第二个边沿移入，也就是下降沿。
2.3.3.模式 1
CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平；CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据。时钟空闲时为低电平，第一个边沿为上升沿，需要移出数据到传输线上，第二个边沿是下降沿，下降沿到来时就将数据移入对方的数据寄存器中。
2.3.4.模式 2
CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平；CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据。时钟空闲时为高电平，第一个边沿到来之前需要将数据移出到传输线上，等待第一个边沿到来移入数据，第一个边沿时下降沿，下降沿移入数据，第二个边沿是上升沿，这时候移入数据。
2.3.5.模式 3
CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平；CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据。时钟空闲时为高电平，第一个边沿为下升沿，需要移出数据到传输线上，第二个边沿是上降沿，上降沿到来时就将数据移入对方的数据寄存器中。
2.4.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）：
- 指定地址读：向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）：
三、软件实现
初始化 SPI，PA4 为 SS，PA5 为时钟输出，PA7 为主机接收，PA6 为主机输出：
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数：SPI写SS引脚电平，SS仍由软件模拟
* 参 数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
* 返 回 值：无
* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平
*/
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue); //根据BitValue，设置SS引脚的电平
}
/**
* 函 数：SPI初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //开启SPI1的时钟
/*GPIO初始化*/
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); //将PA4引脚初始化为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA6引脚初始化为上拉输入
/*SPI初始化*/
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; //定义结构体变量
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //模式，选择为SPI主模式
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //方向，选择2线全双工
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //数据宽度，选择为8位
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //先行位，选择高位先行
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128; //波特率分频，选择128分频
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //SPI极性，选择低极性
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS，选择由软件控制
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC多项式，暂时用不到，给默认值7
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1
/*SPI使能*/
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1，开始运行
/*设置默认电平*/
MySPI_W_SS(1); //SS默认高电平
}
/**
* 函 数：SPI起始
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Start(void)
{
MySPI_W_SS(0); //拉低SS，开始时序
}
/**
* 函 数：SPI终止
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MySPI_Stop(void)
{
MySPI_W_SS(1); //拉高SS，终止时序
}
/**
* 函 数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
* 参 数：ByteSend 要发送的一个字节
* 返 回 值：接收的一个字节
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET); //等待发送数据寄存器空
SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend); //写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET); //等待接收数据寄存器非空
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //读取接收到的数据并返回
}
四、W25Q64
4.1.简介
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：
4.2.硬件电路
该存储芯片一共有 8 个引脚，除了 SPI 必要的四根线，还有自己的电源线、地线，还有写保护和锁定数据，方便被中断打断之后，还能继续发送。
由下面硬件电路图可知，CS 也是 SS，低电平有效，HOLD 数据锁定和 WP 写保护也是低电平有效。
4.3.框图
W25Q64 的内存分布如下图所示，该芯片一共有 64M Bite / 8M Byte 大小，存储器以字节为单位，每一字节都有唯一地址。地址由左下角的 0 字节开始自增到 7FFFFF，W25Q64 的地址宽度是 24 位，3 个字节，因此 24 位地址最大的寻址范围是 16MB。每 64KB 分为一个块区，8MB 可以分为 128 个块区，每个块区又可以细分，每 4KB 分为一个扇区，可以分为 16 份。每 4KB 的扇区又可以细分为页，每一页有 256 个字节，4KB * 1024 = 4096 Byte， 4096 Byte / 256 = 16页，每一个扇区又可以分为 16 页：
4.4.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（页）
- 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。
五、实验
使用 SPI 协议将 STM32 最小系统板和 W25Q64 进行信息交流，将写入的数据读出来，下面是对 W25Q64 的代码封装和定义：
#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
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"
/**
* 函 数：W25Q64初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_Init(void)
{
MySPI_Init(); //先初始化底层的SPI
}
/**
* 函 数：W25Q64读取ID号
* 参 数：MID 工厂ID，使用输出参数的形式返回
* 参 数：DID 设备ID，使用输出参数的形式返回
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); //交换发送读取ID的指令
*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换接收MID，通过输出参数返回
*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换接收DID高8位
*DID <<= 8; //高8位移到高位
*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //或上交换接收DID的低8位，通过输出参数返回
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64写使能
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); //交换发送写使能的指令
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64等待忙
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
uint32_t Timeout;
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); //交换发送读状态寄存器1的指令
Timeout = 100000; //给定超时计数时间
while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) //循环等待忙标志位
{
Timeout --; //等待时，计数值自减
if (Timeout == 0) //自减到0后，等待超时
{
/*超时的错误处理代码，可以添加到此处*/
break; //跳出等待，不等了
}
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
/**
* 函 数：W25Q64页编程
* 参 数：Address 页编程的起始地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 参 数：DataArray 用于写入数据的数组
* 参 数：Count 要写入数据的数量，范围：0~256
* 返 回 值：无
* 注意事项：写入的地址范围不能跨页
*/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
uint16_t i;
W25Q64_WriteEnable(); //写使能
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM); //交换发送页编程的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
for (i = 0; i < Count; i ++) //循环Count次
{
MySPI_SwapByte(DataArray[i]); //依次在起始地址后写入数据
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
W25Q64_WaitBusy(); //等待忙
}
/**
* 函 数：W25Q64扇区擦除（4KB）
* 参 数：Address 指定扇区的地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
W25Q64_WriteEnable(); //写使能
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB); //交换发送扇区擦除的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
MySPI_Stop(); //SPI终止
W25Q64_WaitBusy(); //等待忙
}
/**
* 函 数：W25Q64读取数据
* 参 数：Address 读取数据的起始地址，范围：0x000000~0x7FFFFF
* 参 数：DataArray 用于接收读取数据的数组，通过输出参数返回
* 参 数：Count 要读取数据的数量，范围：0~0x800000
* 返 回 值：无
*/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
uint32_t i;
MySPI_Start(); //SPI起始
MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA); //交换发送读取数据的指令
MySPI_SwapByte(Address >> 16); //交换发送地址23~16位
MySPI_SwapByte(Address >> 8); //交换发送地址15~8位
MySPI_SwapByte(Address); //交换发送地址7~0位
for (i = 0; i < Count; i ++) //循环Count次
{
DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //依次在起始地址后读取数据
}
MySPI_Stop(); //SPI终止
}
下面是主程序 main.c 代码实现：
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"
uint8_t MID; //定义用于存放MID号的变量
uint16_t DID; //定义用于存放DID号的变量
uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04}; //定义要写入数据的测试数组
uint8_t ArrayRead[4]; //定义要读取数据的测试数组
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
W25Q64_Init(); //W25Q64初始化
/*显示静态字符串*/
OLED_ShowString(1, 1, "MID: DID:");
OLED_ShowString(2, 1, "W:");
OLED_ShowString(3, 1, "R:");
/*显示ID号*/
W25Q64_ReadID(&MID, &DID); //获取W25Q64的ID号
OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2); //显示MID
OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4); //显示DID
/*W25Q64功能函数测试*/
W25Q64_SectorErase(0x000000); //扇区擦除
W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4); //将写入数据的测试数组写入到W25Q64中
W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4); //读取刚写入的测试数据到读取数据的测试数组中
/*显示数据*/
OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2); //显示写入数据的测试数组
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); //显示读取数据的测试数组
OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
while (1)
{
}
}