STM32CubeMX学习笔记14 ---SPI总线

1. 简介

1.1 SPI总线介绍

        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(摩托罗拉)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主从模式
        SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps

SPI信号线
SPI接口一般使用四条信号线通信：
SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）

• MISO： 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
• MOSI： 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
• SCLK：串行时钟信号，由主设备产生。
• CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。

硬件上为4根线。

SPI一对一

 SPI一对多

SPI数据发送接收
SPI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。

首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据
这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式，这个我们在下面会介绍
主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过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。

SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，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。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

SPI工作模式
根据时钟极性（CPOL）及相位（CPHA）不同，SPI有四种工作模式。
时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：

• CPOL=0为时钟空闲时为低电平
• CPOL=1为时钟空闲时为高电平

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。

• CPHA=0:在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。
• CPHA=1:在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。

1.2 W25QXX芯片介绍

W25QXX芯片是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，该系列有W25Q16/32/62/128等。本例程使用W25Q64，W25Q64容量为64Mbits（8M字节）：8MB的容量分为128个块(Block)（块大小为64KB），每个块又分为16个扇区(Sector)（扇区大小为4KB）；W25Q64的最小擦除单位为一个扇区即4KB，因此在选择芯片的时候必须要有4K以上的SRAM（可以开辟4K的缓冲区）。W25Q64的擦写周期多达10万次，具有20年的数据保存期限。 下表是W25QXX的常用命令表

 

常用指令：

写使能(Write Enable) (06h)

向FLASH发送0x06 写使能命令即可开启写使能，首先CS片选拉低，控制写入字节函数写入命令，CS片选拉高。

扇区擦除指令(Sector Erase) (0x20h)

 

扇区擦除指令，数据写入前必须擦除对应的存储单元，该指令先拉低/CS引脚电平,接着传输“20H”指令和要24位要擦除扇区的地址。

读命令(Read Data) (03h)

读数据指令可从存储器依次一个或多个数据字节，该指令通过主器件拉低/CS电平使能设备开始传输，然后传输“03H”指令，接着通过DI管脚传输24位地址，从器件接到地址后，寻址存储器中的数据通过DO引脚输出。每传输一个字节地址自动递增，所以只要时钟继续传输，可以不断读取存储器中的数据。

 

状态读取命令(Read Status Register)

读状态寄存器1(05H)，状态寄存器2（35H）,状态寄存器3（15H）
写入命令0x05，即可读取状态寄存器的值。

 写入命令(Page Program) (02h)

 

在对W25Q128 FLASH的写入数据的操作中一定要先擦出扇区，在进行写入，否则将会发生数据错误。
W25Q128 FLASH一次性最大写入只有256个字节。
在进行写操作之前，一定要开启写使能(Write Enable)。
当只接收数据时不但能只检测RXNE状态 ，必须同时向发送缓冲区发送数据才能驱动SCK时钟跳变。

2. 硬件设计

LED2指示灯用来提示系统运行状态，S1按键用来控制W25Q64数据写入，S2按键用来控制W25Q64数据读取，串口1用来打印写入和读取的数据信息

• LED2指示灯

• S1和S2按键

• USART1
• SPI
• W25Q64

3、STM32CubeMX设置

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
• PE5(LED2)设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
• USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位
• PE3,PE4设置为GPIO输入模式、上拉模式
• 激活SPI2，选择全双工主机模式

不使能硬件NSS

STM32有硬件NSS(片选信号)，可以选择使能，也可以使用其他IO口接到芯片的NSS上进行代替
其中SIP2的片选NSS ： SPI2_NSS（PB12）

如果片选引脚没有连接 SPI1_NSS（PA4）或者SPI2_NSS（PB12），则需要选择软件片选

NSS管脚及我们熟知的片选信号，作为主设备NSS管脚为高电平，从设备NSS管脚为低电平。当NSS管脚为低电平时，该spi设备被选中，可以和主设备进行通信。在stm32中，每个spi控制器的NSS信号引脚都具有两种功能，即输入和输出。所谓的输入就是NSS管脚的信号给自己。所谓的输出就是将NSS的信号送出去，给从机。
对于NSS的输入，又分为软件输入和硬件输入。
软件输入：
NSS分为内部管脚和外部管脚，通过设置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都为1可以设置NSS管脚为软件输入模式且内部管脚提供的电平为高电平，其中SSM位为使能软件输入位。SSI位为设置内部管脚电平位。同理通过设置SSM和SSI位1和0则此时的NSS管脚为软件输入模式但内部管脚提供的电平为0。若从设备是一个其他的带有spi接口的芯片，并不能选择NSS管脚的方式，则可以有两种办法，一种是将NSS管脚直接接低电平。另一种就是通过主设备的任何一个gpio口去输出低电平选中从设备。
硬件输入：
主机接高电平，从机接低电平。

左键对应的软件片选引脚，选择GPIO_Output(输出模式),然后点击GPIO，设置一下备注。

我这里虽然PB12是SPI2的硬件片选NSS，但是我想用软件片选，所以关闭了硬件NSS

PB12设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速（片选引脚）

SPI配置默认如下：

SPI配置中设置格式为Motorla格式，数据长度为8bit，MSB先输出。

分频为256分频，则波特率为140KBits/s，CPOL设置为HIGH，CPHA设置为第二个边沿。

不开启CRC检验，NSS为软件控制。

其他为默认设置。

• 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

4、程序编程

在stm32f1xx_hal_spi.h头文件中可以看到spi的操作函数。分别对应轮询，中断和DMA三种控制方式。

 

• 轮询： 最基本的发送接收函数，就是正常的发送数据和接收数据
• 中断： 在SPI发送或者接收完成的时候，会进入SPI回调函数，用户可以编写回调函数，实现设定功能
• DMA： DMA传输SPI数据

利用SPI接口发送和接收数据主要调用以下两个函数：

HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据
/*
*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 需要发送的数据，可以为数组
Size： 发送数据的字节数，1 就是发送一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行发送函数最长的时间，超过该时间自动退出发送函数
*/
HAL_StatusTypeDef  HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据
/*
*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 接收发送过来的数据的数组
Size： 接收数据的字节数，1 就是接收一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行接收函数最长的时间，超过该时间自动退出接收函数
*/

SPI接收回调函数：

　HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, TXbuf,RXbuf,CommSize);

当SPI上接收出现了 CommSize个字节的数据后，中断函数会调用SPI回调函数：

　　　HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)

 用户可以重新定义回调函数，编写预定功能即可，在接收完成之后便会进入回调函数

• 在spi.c文件下可以看到SPI2的初始化函数，片选管脚的初始化在gpio.c中

void MX_SPI2_Init(void){hspi2.Instance = SPI2;hspi2.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //设置为主模式hspi2.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;  //双线模式hspi2.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;  //  8位数据长度hspi2.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;   //串行同步时钟空闲状态为高电平hspi2.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;    //第二个跳变沿采样hspi2.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;    //NSS软件控制hspi2.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; //分配因子256hspi2.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;   //MSB先行hspi2.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;   //关闭TI模式hspi2.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;   //关闭硬件CRC校验hspi2.Init.CRCPolynomial = 10;if (HAL_SPI_Init(&hspi2) != HAL_OK){Error_Handler();}
}void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};if(spiHandle->Instance==SPI2){__HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE();  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();/**SPI2 GPIO Configuration    PB13     ------> SPI2_SCKPB14     ------> SPI2_MISOPB15     ------> SPI2_MOSI */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_15;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);}
}

 创建包含W25Q64芯片的相关操作函数及驱动函数的文件w25qxx.c和w25qxx.h

#ifndef _W25QXX_H_
#define _W25QXX_H_#include "main.h"
#include "spi.h"
#include "usart.h"#define W25Q64 	0XC816extern uint16_t W25QXX_TYPE;	
//修改CS片选引脚，W25Qx_Enable(),W25Qx_Disable()分别为使能和失能SPI设备，即拉低和拉高/CS电平
#define W25Qx_Enable()				HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_RESET)
#define W25Qx_Disable() 			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_12,GPIO_PIN_SET)#define W25X_WriteEnable				0x06 
#define W25X_WriteDisable				0x04 
#define W25X_ReadStatusReg1			    0x05 
#define W25X_ReadStatusReg2			    0x35 
#define W25X_ReadStatusReg3			    0x15 
#define W25X_WriteStatusReg1            0x01 
#define W25X_WriteStatusReg2            0x31 
#define W25X_WriteStatusReg3            0x11 
#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			    0x9F 
#define W25X_Enable4ByteAddr            0xB7
#define W25X_Exit4ByteAddr              0xE9void W25QXX_Init(void);
uint16_t W25QXX_ReadID(void);  	    		
uint8_t  W25QXX_ReadSR(uint8_t regno);             
void W25QXX_Write_SR(uint8_t regno,uint8_t sr);   
void W25QXX_Write_Enable(void);  		
void W25QXX_Write_Disable(void);	
void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead); void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite);
void W25QXX_Write_NoCheck(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite); 
void W25QXX_Write(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite);void W25QXX_Erase_Chip(void);    	  	
void W25QXX_Erase_Sector(uint32_t Dst_Addr);	
void W25QXX_Wait_Busy(void);           	
void W25QXX_PowerDown(void);        	
void W25QXX_WAKEUP(void);	#endif

 

#include "w25qxx.h"
#include <stdio.h>uint16_t W25QXX_TYPE;void W25QXX_Init(void)
{W25Qx_Disable();//MX_SPI2_Init();W25QXX_TYPE = W25QXX_ReadID(); //读取芯片IDprintf1("FLASH ID:%X\r\n",W25QXX_TYPE);if(W25QXX_TYPE == 0xc816)printf1("FLASH TYPE:W25Q64\r\n");
}//读取芯片ID	
uint16_t W25QXX_ReadID(void)
{uint16_t ID;uint8_t id[2]={0};uint8_t cmd[4] = {W25X_ManufactDeviceID,0x00,0x00,0x00};//读取ID命令  0x90  W25Qx_Enable();//芯片使能HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);//spi发送读取ID命令，超时1000msHAL_SPI_Receive(&hspi2,id,2,1000); //spi读取ID存放在数组id中，超时1000msW25Qx_Disable(); //取消片选  ID = (((uint16_t)id[0])<<8)|id[1];return ID;
}//读取片区
uint8_t  W25QXX_ReadSR(uint8_t regno)
{uint8_t byte=0,cmd=0;switch(regno){case 1:cmd = W25X_ReadStatusReg1;break;case 2:cmd = W25X_ReadStatusReg2;break;case 3:cmd = W25X_ReadStatusReg3;break;default:cmd = W25X_ReadStatusReg1;break;}W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);HAL_SPI_Receive(&hspi2,&byte,1,1000);W25Qx_Disable();return byte;
}//写片区
void W25QXX_Write_SR(uint8_t regno,uint8_t sr)
{uint8_t cmd=0;switch(regno){case 1:cmd = W25X_WriteStatusReg1;break;case 2:cmd = W25X_WriteStatusReg2;break;case 3:cmd = W25X_WriteStatusReg3;break;default:cmd = W25X_WriteStatusReg1;break;}W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);HAL_SPI_Receive(&hspi2,&sr,1,1000);W25Qx_Disable();
}//写使能	
void W25QXX_Write_Enable(void)
{uint8_t cmd = W25X_WriteEnable; //写使能命令 0x06W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);W25Qx_Disable();
}void W25QXX_Write_Disable(void)
{uint8_t cmd = W25X_WriteDisable; //写失能命令 0x04W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);W25Qx_Disable();	
}void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead)
{uint8_t cmd[4] = {0};cmd[0] = W25X_ReadData; //读取命令cmd[1] = ((uint8_t)(ReadAddr>>16));cmd[2] = ((uint8_t)(ReadAddr>>8));cmd[3] = ((uint8_t)ReadAddr);W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);if(HAL_SPI_Receive(&hspi2,pBuffer,NumByteToRead,1000) != HAL_OK){printf1("SPI read failed!\r\n");}W25Qx_Disable();
}void W25QXX_Write_Page(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{uint8_t cmd[4] = {0};if(NumByteToWrite > 256){NumByteToWrite = 256;printf1("写数据量过大，超过一页的大小！\n");}W25QXX_Write_Enable();W25Qx_Enable();cmd[0] = W25X_PageProgram;cmd[1] = ((uint8_t)(WriteAddr>>16));cmd[2] = ((uint8_t)(WriteAddr>>8));cmd[3] = ((uint8_t)WriteAddr);HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);HAL_SPI_Transmit(&hspi2,pBuffer,NumByteToWrite,1000);W25Qx_Disable();W25QXX_Wait_Busy();
}void W25QXX_Write_NoCheck(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{uint16_t pageremain;pageremain = 256 - WriteAddr%256;if(NumByteToWrite <= pageremain)pageremain = NumByteToWrite;while(1){W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);if(NumByteToWrite == pageremain)break;else{pBuffer += pageremain;WriteAddr += pageremain;NumByteToWrite -= pageremain;if(NumByteToWrite > 256)pageremain = 256;elsepageremain = NumByteToWrite;}}
}uint8_t W25QXX_BUFFER[4096]={0};
void W25QXX_Write(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{uint32_t secpos;uint16_t secoff;uint16_t secremain;uint16_t i;uint8_t *W25QXX_BUF;W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER;secpos = WriteAddr/4096;  //扇区地址secoff = WriteAddr%4096;  //在扇区里的偏移secremain = 4096-secoff;	//扇区剩余空间大小printf1("WriteAddr:0x%X,NumByteToWrite:%d\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);if(NumByteToWrite <= secremain)  //不大于4K字节secremain = NumByteToWrite;while(1){W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096); //读取整个扇区内容for(i=0;i<secremain;i++) //校验数据 {if(W25QXX_BUF[secoff+i] != 0xff) //需要擦除break;}if(i < secremain)   //需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);  //擦除扇区for(i=0;i<secremain;i++){printf1("4\r\n");W25QXX_BUF[i+secoff] = pBuffer[i];}W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096); //写入整个扇区}else{W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);	  //写入扇区剩余空间}if(NumByteToWrite == secremain) //写入结束了break;else //写入未结束{secpos++;  //扇区地址增1secoff = 0;  //偏移位置为0  pBuffer += secremain; //指针偏移WriteAddr += secremain; //写地址偏移NumByteToWrite -= secremain; //字节数递减if(NumByteToWrite > 4096)secremain = 4096;   //下个扇区还没是写不完elsesecremain = NumByteToWrite; //下个扇区可以写完了}}
}void W25QXX_Erase_Chip(void)
{uint8_t cmd = W25X_ChipErase;W25QXX_Write_Enable();W25QXX_Wait_Busy();W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);W25Qx_Disable();W25QXX_Wait_Busy();
}//擦除扇区	
void W25QXX_Erase_Sector(uint32_t Dst_Addr)
{uint8_t cmd[4] = {0};Dst_Addr *= 4096;W25QXX_Write_Enable();//写使能W25QXX_Wait_Busy();W25Qx_Enable();cmd[0] = W25X_SectorErase;cmd[1] = ((uint8_t)(Dst_Addr>>16));cmd[2] = ((uint8_t)(Dst_Addr>>8));cmd[3] = ((uint8_t)Dst_Addr);HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);W25Qx_Disable();W25QXX_Wait_Busy();	
}void W25QXX_Wait_Busy(void)
{while((W25QXX_ReadSR(1)&0x01)==0x01);
}void W25QXX_PowerDown(void)
{uint8_t cmd = W25X_PowerDown;W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);W25Qx_Disable();HAL_Delay(1);
}void W25QXX_WAKEUP(void)
{uint8_t cmd = W25X_ReleasePowerDown;W25Qx_Enable();HAL_SPI_Transmit(&hspi2,&cmd,1,1000);W25Qx_Disable();HAL_Delay(1);
}

•  在main.c文件下编写SPI测试代码

uint8_t wData[0x100];
uint8_t rData[0x100];
uint32_t i;
unsigned char tx_buf[256];int main(void)
{
uint8_t key;W25QXX_Init();for(i=0;i<0x100;i++){wData[i] = 0xff-i;rData[i] = 0;} while (1){key = KEY_Scan(0);if(key == 1){printf1("S1 write data...\r\n");W25QXX_Erase_Sector(0);//擦除扇区W25QXX_Write(wData,0,256);printf1("S1 write data success\r\n");}if(key == 2){printf1("S2 read data...\r\n");W25QXX_Read(rData,0,256);for(i=0;i<256;i++){printf1("0x%02X ",rData[i]);}}HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_5);HAL_Delay(500);/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

5、下载验证

编译无误下载到开发板后，可以看到LED2指示灯不断闪烁，当按下S1按键后数据写入到W25Q64芯片内，当按下S2按键后读取W25Q64芯片的值，同时串口打印出相应信息