STM32---SPI通信协议(小白入、含源码)

King~30+2024-06-21 21:14

**写在前面：**在单片机的学习过程中，各种通信协议的学习是必不可少的，在前面我们学习了串口通信、IIC通信，本节我们来认识一下SPI通信协议。包括其SPI基本概念、NORFLASH芯片的介绍以及相关的例程实验。

目录

一、SPI介绍

1.1什么是SPI？

1.2SPI结构框图

1.3SPI工作模式

1.4SPI工作寄存器

二、NORFLASH介绍

[2.1NOR FLASH简介](#2.1NOR FLASH简介)

2.2NM25Q128简介

[2.3NOR FLASH的工作时序](#2.3NOR FLASH的工作时序)

三、硬件设计

四、程序设计

4.1SPI配置步骤

4.2NM25Q128配置步骤

4.3相关代码

五、现象

一、SPI介绍

1.1什么是SPI？

SPI全称为： Serial Peripheral interface；其中文翻译为：串行外设设备接口，是一种高速的、全双工的、同步的通信总线；

我们前面学习了IIC通信，STM32---IIC通信协议（含源码，小白进）_stm32 iic-CSDN博客再此，将SPI同IIC做出对比：

|----------|------------------|----------------------|
| | SPI | IIC |
| 通信方式 | 同步、串行、全双工 | 同步、串行、半双工 |
| 总线接口 | MOSI、MISO、SCL、CS | SDA、SCL |
| 拓扑结构 | 一主多从、一主一从 | 多主从 |
| 从机选择 | 片选引脚 | SDA设备地址片选 |
| 通信速率 | 一般500MHz以下 | 100KHz、400KHz、3.4MHz |
| 数据格式 | 8/16位 | 8位 |
| 传输顺序 | MSB/LSB | MSB |

1.2SPI结构框图

相关引脚：

MOSI：输出数据线；

MISO：输入数据线；

SCK：时钟线，由主设备产生。

NSS/CS：从设备片选信号，由主设备产生。

STM32F103引脚对应SPI：

|----------|----------|----------|----------|
| 引脚 | SPI1 | SPI2 | SPI3 |
| NSS | PA4 | PB12 | PA15 |
| CLK | PA5 | PB13 | PB3 |
| MISO | PA6 | PB14 | PB4 |
| MOSI | PA7 | PB15 | PB5 |

SPI工作原理：

在从机与主机内部都含有一个移位寄存器，主机通过它的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将字节按位进行传输给从机，从机也将自己的串行移位寄存器的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就能够发生交换。

外设的写与读操作时同步进行的，如果只是写操作，主机可以忽略接受到的数据；如果只是读操作，则需要发送一个空字节引发进行从机传输。
SPI具有三种传输方式：全双工、半双工以及单工；

全双工通信，就是在任何时刻，主机与从机之间都可以同时进行数据的发送和接收。

单工通信，就是在同一时刻，只有一个传输的方向，发送或者是接收。

半双工通信，就是在同一时刻，只能为一个方向传输数据 。

1.3SPI工作模式

在前面学习IIC通信时，STM32与具有IIC接口的设备进行通信时，必须遵循IIC的通信协议。那同理我们使用SPI接口进行通信时，也需要遵循对应的通信协议，也就是对应的读与写时序。SPI通信协议具有4种工作模式。

首先，在学习4种工作模式之前，先了解两个概念：时钟极性（CPOL）与时钟相位(CPHA);

时钟极性： 是指当主机没有数据传输时即空闲状态下，SCL线的电平状态；若空闲状态为高电平 ，CPOL为1；若空闲状态为低电平，则CPOL为0；
**时钟相位：**在同步通信时，数据的采集与变化都是在时钟边沿进行的，也称为边沿协议（了解边沿协议与电平协议的区别），那每个时钟周期具有两个边沿，分别为上升沿与下降沿，那么数据的变化与采样就安排在两个不同的边沿，由于数据的产生和采样需要一定的时间，那么如果我们在第一个边沿把数据输出了，从机只能在第二个边沿进行采样。

CPHA的实质是指：采样时刻，如果CPHA=0就表示采样是从第一个边沿信号进行采样的；如果是CPHA=1，则表示采样是在第2个边沿信号进行的。

由于CPOL与CPHA都有两种状态，所以SPI分为4中工作模式：

|-------------|----------|----------|-------------|----------|----------|
| 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 |

工作模式1时序图：

工作模式2时序图：

工作模式3时序图：

工作模式4时序图：

1.4SPI工作寄存器

在使用SPI时，我们所涉及的相关寄存器主要包括：

SPI_CR1(SPI控制寄存器)：用于配置SPI工作参数；

SPI_SR(SPI状态寄存器)：用于查询当前SPI传输状态；

SPI_DR(SPI数据寄存器)：用于存放待发送的数据或者是接受到的数据；

1.SPI_CR1控制寄存器

CPHA:时钟相位------1；SCL空闲时刻为高电平；

CPOL:时钟极性------1；采样时刻为偶数边沿；

MSTR:主从设备选择------1；设置为主设备；

BR：波特率控制------111；速度设置为最低；

SPE:SPI使能------1；开启SPI设备；

LSBFIRST:帧格式------0；MSB先传输，高位在前，低位在后；

SMM：软件从设备管理------1：软件片选从设备；

RXONLY:只接受------0；全双工通信；

DFF:数据帧格式------0；采用8位数据帧格式；

2.SPI_SR状态寄存器

该寄存器的主要作用：用于查询SPI状态，TXE与RXNE即发送完成和接收完成是否标记；

3.SPI数据寄存器

该寄存器为SPI的数据寄存器，是一个双寄存器，包括了发送缓存与接受缓存。

二、NORFLASH介绍

2.1NOR FLASH简介

FLASH是一种常见的用于存储数据的半导体器件，特点：容量大、可重复擦写、按"扇区/块"擦除、掉点后数据继续保存；分类：NOR FLASH与NAND FLASH;

|-------------|---------------|----------------|
| 特性 | NOR FLASH | NAND FLASH |
| 容量 | 较小 | 较大 |
| 成本 | 较贵 | 较便宜 |
| 擦除单元 | 按扇区/块擦除 | 按扇区/块擦除 |
| 读取速度 | 较高 | 较低 |
| 读写单元 | 基于字节读写 | 基于块读写 |
| 写入速度 | 较低 | 较高 |
| 集成度 | 较低 | 较高 |
| 介质类型 | 随机存储 | 连续存储 |
| 地址线与数据线 | 独立分开 | 公用 |
| 坏块 | 较少 | 较多 |
| 是否支持XIP | 支持 | 不支持 |

NOR与NAND在数据写入之前都需要进行擦除操作；

NOR FLASH的物理特性：只能由1写为0，不能由0写为1；所以写之前需要进行擦除，即使只写一个字节，也需要对整个扇区/块进行擦除；

NAND FLASH 对于由1写为0，由0写为1都需要进行擦除，此处不详细说明；

缺陷：FLASH也有对应的缺点：寿命短以及位翻转；

**寿命短：**FLASH的擦除次数是有限（10万次左右），当接近时，可能会出现写操作失败；

**位翻转：**数据位写入时为 1，但经过一定时间的环境变化后可能实际变为 0 的情况。
NOR FLASH芯片具有多种：W25Q128、BY25Q128、NM25Q128等等，内存都是128M即16M字节，他们的很多参数、操作都是一样的。其实验也是兼容；

2.2NM25Q128简介

NM25Q128是一款大容量的SPIFLASH产品，其容量为16M，它将16M字节的容量分为256块，每个块大小为64K字节，每个块又分为16个扇区，每个扇区16页，每页256个字节，即每个扇区4K字节。NM25Q128的最小擦除单位为扇区，也就是每次最少擦出4K字节。

NM25Q128 的擦写周期多达 10W 次，具有 20 年的数据保存期限，支持电压为 2.7~3.6V，NM25Q128 支持标准的 SPI，还支持双输出/四输出的 SPI，最大 SPI 时钟可以到 104Mhz（双输

出时相当于 208Mhz，四输出时相当于 416Mhz）。其主要工作在SPI的模式0和模式3；

引脚连接：

CS：片选信号输入，低电平有效；

DO：MISO数据输出信号线；

WP：写保护------高电平可读可写，低电平仅仅可读；

HOLD:保持管脚，低电平有效；

CLK：时钟输入；

DI:MOSI数据输入信号线；

2.3NOR FLASH的工作时序

在介绍工作时序之前，我们需要先对基本操作的指令做出了解：

0x06:写使能，写数据与擦除之前，必须先发送该指令；

0x05:读SR1,判断FLASH是否处于空闲状态，擦除用；

0x03:读数据，用于读取NOR FLASH；

0x02:页写：用于写入NOR FLASH；

0x20:扇区擦除：用于扇区擦除指令；

1.读时序

2.写时序

3.擦除扇区

三、硬件设计

实现功能：

通过KEY0按键控制NOR FLASH的写入，通过控制KEY1按键控制NOR FLASH的读取，并将读取到的的数据通过串口显示调试助手。

原理图：

由上图可知：NM25Q128的引脚：

CS--PB12; CLK--PB13;MISO--PB14;MOSI--PB15;

四、程序设计

4.1SPI配置步骤

1、SPI工作参数配置以及初始化

包括：工作模式、时钟极性、时钟相位；

涉及的函数HAL_SPI_Init();

2、使能SPI时钟和初始化相关引脚

包括：时钟配置、GPIO模式配置；

涉及的函数HAL_SPIMspinit();

3、使能SPI

涉及的宏定义： __HAL_SPI_ENABLE(HANDLE) 实际操作位CR1控制寄存器中的位6SPE;

4、数据的传输

通过 HAL_SPI_Transmit 函数进行发送数据。

通过 HAL_SPI_Receive 函数进行接收数据。

也可以通过 HAL_SPI_TransmitReceive 函数进行发送与接收操作。

5、设置SPI传输速度

SPI 初始化结构体 SPI_InitTypeDef 有一个成员变量是 BaudRatePrescaler，该成员变量用来设置 SPI 的预分频系数，从而决定了 SPI 的传输速度。但是 HAL 库并没有提供单独的 SPI 分频系数修改函数，如果我们需要在程序中偶尔修改速度，那么我们就要通过设置 SPI_CR1 寄存器来修改。

4.2NM25Q128配置步骤

在前面我们已经对于SPI通信所需要的协议都已经封装好了，接着我们只需要在SPI通信的基础上，通过对NM24Q128的工作时序进行拟定即可。

1、初始化片选引脚与SPI接口

包括相关GPIO初始化与SPI初始化；

2、NM24Q128读取

包括读时序。

3、NM24Q128扇区擦除

包括等待函数。

4、NM24Q128写入

包括：是否需要擦除、是否需要换页、遵循读、改、写。

4.3相关代码

程序源码：

链接：https://pan.baidu.com/s/1Mzfl_LS1ou4BmAbxX11hxA
提取码：1022

spi.c

cpp 复制代码 
#include "./BSP/SPI/spi.h"

SPI_HandleTypeDef spi_handle;
void spi_init(void)
{
   spi_handle.Instance=SPI2;    // 基地址；
   spi_handle.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER;    //模式：主从模式，主模式（SPI_MODE_MASTER），从模式（SPI_MODE_SLAVE）；
   spi_handle.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES;  //方式：1、只接受模式；2、单线双向通信数据模式；3、全双工模式；    
   spi_handle.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT;   //数据帧格式：8位/16位；
   spi_handle.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH;   //时钟极性；
   spi_handle.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE;    //时钟相位；
   spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;  //SS信号由硬件还是软件控制；
   spi_handle.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; //设置SPI波特率预分频；
   spi_handle.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB;   //起始位是MSB还是LSB；
   spi_handle.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE;   //帧格式 SPImotorla模式还是TI模式；
   spi_handle.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; //硬件CRC是否使能；
   spi_handle.Init.CRCPolynomial=7; //CRC多项式；
     HAL_SPI_Init(&spi_handle); //初始化；
     __HAL_SPI_ENABLE(&spi_handle);//使能SPI2
}
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi) 
{
        __HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE();//使能SPI2时钟；
        __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();//使能GPIOB时钟；
    
        GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    
        gpio_init_struct.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;//复用推挽输出；
        gpio_init_struct.Pull=GPIO_PULLUP;//上拉；
        gpio_init_struct.Pin=GPIO_PIN_13 |GPIO_PIN_14 |GPIO_PIN_15;//引脚；
        gpio_init_struct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH ;//高速；
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &gpio_init_struct);     
}

uint8_t spi_readwrite_byte(uint8_t txdata)
{
    uint8_t rxdata;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle, &txdata, &rxdata, 1,  1000);
    return rxdata;
}

key.c

cpp 复制代码 
#include "./BSP/KEY1/key.h"

void key_init(void)
{ 
   GPIO_InitTypeDef  gpio_init_struct;
    
    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    gpio_init_struct.Pin=GPIO_PIN_4;
    gpio_init_struct.Mode=GPIO_MODE_INPUT;
    gpio_init_struct.Pull=GPIO_PULLUP; 
    HAL_GPIO_Init(GPIOE,&gpio_init_struct);
    
    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    gpio_init_struct.Pin=GPIO_PIN_3;
    gpio_init_struct.Mode=GPIO_MODE_INPUT;
    gpio_init_struct.Pull=GPIO_PULLUP; 
    HAL_GPIO_Init(GPIOE,&gpio_init_struct);
}

uint32_t key_scan()
{
    if( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_4)==0)   
    {
        delay_ms(10);
        if( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_4)==0)
        {
            while( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_4)==0);
            return 1;
        }  
    }    
    return 0;    
}
uint32_t key_scan1()
{
    if( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)==0)   
    {
        delay_ms(10);
        if( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)==0)
        {
            while( HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)==0);
            return 2;
        }     
    }    
    return 0;    
}

nm24q128.c

cpp 复制代码 
#include "./BSP/SPI/nm25q128.h"

void norflash_init(void)
{
     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();/*片选引脚时钟*/
    GPIO_InitTypeDef gpiob_init_struct;
    gpiob_init_struct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    gpiob_init_struct.Pin=GPIO_PIN_12;
    gpiob_init_struct.Speed= GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &gpiob_init_struct);/*片选引脚初始化*/
    spi_init();/*SPI初始化*/
    spi_readwrite_byte(0Xff);//清空数据寄存器DR作用；
    NORFLASH_CS(1); /*拉高片选*/
}

uint8_t nm25q128_read_data(uint32_t address)
{
    uint8_t data=0;
    NORFLASH_CS(0);/*拉低片选*/
    
    /*1、发送读命令*/
    spi_readwrite_byte(0X03);
    
    /*2、发送地址，分三次发送，高位在前*/
    spi_readwrite_byte(address >> 16);
    spi_readwrite_byte(address >> 8);
    spi_readwrite_byte(address);
    
    /*3、读取数据*/
    data = spi_readwrite_byte(0xff);
    
    NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
    return data;

}
uint8_t  norflash_wait(void)
{
    uint8_t rec_data=0;
    NORFLASH_CS(0);/*拉低片选*/
    spi_readwrite_byte(0X05);
    rec_data=spi_readwrite_byte(0Xff);
    NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
    return  rec_data;
}

void norflash_erase_sector(uint32_t addr)
{
   
    /*1、写使能*/
    NORFLASH_CS(0);
    spi_readwrite_byte(0X06);
    NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
    
    /*2、等待空闲*/
    while(norflash_wait() & 0x01) ;
    
    /*3、发送擦除扇区命令*/
     NORFLASH_CS(0);/*拉低片选*/
    spi_readwrite_byte(0X20);
    
     /*4、发送地址*/
    spi_readwrite_byte(addr >> 16);
    spi_readwrite_byte(addr >> 8);
    spi_readwrite_byte(addr);
     NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
    
     /*5、等待空闲*/
    while(norflash_wait() & 0x01);
    

}

void norflash_write_page(uint8_t data,uint32_t addre)
{
    /*1、擦除扇区*/
    norflash_erase_sector(addre);
    
    /*2、写使能*/
    NORFLASH_CS(0);/*拉低片选*/
    spi_readwrite_byte(0X06);
    NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
    
    /*3、页写使能*/
    NORFLASH_CS(0);/*拉低片选*/
    spi_readwrite_byte(0X02);
    
    
    /*4、发送地址，分三次发送，高位在前*/
    spi_readwrite_byte(addre >> 16);
    spi_readwrite_byte(addre >> 8);
    spi_readwrite_byte(addre);
    
    spi_readwrite_byte(data);
    
     NORFLASH_CS(1);/*拉高片选*/
      
     while(norflash_wait() & 0x01);
}

main.c

cpp 复制代码 
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/SPI/nm25q128.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY1/key.h"
    uint8_t data=0;
int main(void)
{
    HAL_Init();                              /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);      /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                          /* 延时初始化 */
    LED_init();                              /* LED初始化 */
    usart_init(115200);                      /* 串口初始化 */
    key_init();                              /* 按键初始化 */
    norflash_init();                         /* NOR FLASH初始化 */
    while(1)
    { 
        if(key_scan()==1)                    /* K0按键按下 */
        {
            norflash_write_page('A',0X223236);
            printf("write finish\r\n");
        }
        
        if(key_scan1()==2)                  /* K1按键按下 */
        {
         data=nm25q128_read_data(0X223236);
            printf("DATA:%c\n",data);
        }     

    }
}

五、现象

KEY0与KEY1分别按下。

总结：本节我们介绍了SPI的基本概念、使用，以及NOR FLASH 的基本概念，完成了利用NM24Q128芯片通过SPI与STM32进行通信，实现了数据的读取。

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