1. SPI 是什么
SPI (Serial Peripheral Interface)：是由美国摩托罗拉公司(Motorala)最先推出的一种同步全双工串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口
SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟， AD转换器，数字信号处理器和数字信号解码器之间，等要求通讯速率较高的场合
SPI 是一种高速、全双工、串行、同步通信总线
全双工意味着至少需要有两根数据线，串行意味着是按 bit 位一位一位的传输
同步意味着通信双方共时钟线：
SDO Serial Data Output 串行数据输出
SDI Serial Data Input 串行数据输入
SCLK Serial Clock 时钟线
SPI 采用的是主从架构，支持多 slave 模式：
Master：SCK ---> 同时接所有的 Slave 的时钟线
MOSI ---> 同时接所有的 Slave 的 MOSI 数据线
MISO ---> 同时接所有的 Slave 的 MISO 数据线
SS1 ---> 接第一个 Slave 的片选信号
SS2 ---> 接第二个 Slave 的片选信号
......
当 Master 要和某个 Slave 通信时：
enable 这个 Slave
disable 其他的 Slave
2. SPI 物理层
SPI 总线上可以同时接多个 SPI 设备 (一主多从)
那么总线上的时钟由谁产生呢？
谁产生都可以，只要同一时刻没有多个设备同时控制总线就可以了
同一时刻也只能有一个设备发送数据，但是可以有多个设备同时接收
通过谁控制时钟线，我们人为的将 SPI 总线上的设备分为：
Master 主设备：产生时钟信号的设备
Slave 从设备：接收时钟信号的设备
一主一从：
一主多从：
根据主从设备的区别，有时候两个数据接口命名也会有所不同：
MOSI：Master Output Slave Input 主设备发送，从设备接收线
MISO：Master Input Slave Output 主设备接收，从设备发送线
MOSI 和 MISO 只是 SDO 和 SDI 的不同叫法而已SCLK：即时钟信号线，用于通讯同步
另外，SPI 还有一根 NSS(Slave Select)线。因为SPI总线上的设备不像 IIC 总线上的设备有地址，所以我们需要一根额外的线来确定到底与谁进行通信
这个NSS(CS)就是片选信号线，用于选择通讯的从设备，也可用CS表示，每个从设备都有一条独立的NSS信号线，主机通过将某个设备的NSS线置低电平来选择与之通讯的从设备。所以 SPI 通讯以NSS线电平置低为起始信号，以NSS线电平被拉高为停止信号，此线可以利用任何一个GPIO引脚，发送0/1进行片选 (比如#SS表示低电平有效，则发送0表示与该设备通信)
所以 SPI 一般需要 4 根线：SDO / SDI / SCLK / CS (单向传输时可以不需要 CS 线)
3. SPI 协议
**协议就是规定数据是如何收发的，SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等内容，**无应答机制
(1) 通信起始信号和停止信号
NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号**，当从机检测到自己的NSS线为起始信号时，就 知道主机要与自己进行通讯了**
NSS 信号线由低变高，是 SPI 通讯的停止信号
(2) 数据有效性
SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及 MISO 数据线在 SCLK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时， MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用 MSB 先行模式
(3) 通讯模式****CPOL：Clock Polarity 时钟极性时钟极性决定不传任何数据时(SPI空闲时)时钟线的电平状态
CPOL = 1 不传数据(SPI空闲)时，时钟线保持高电平
CPOL = 0 不传数据(SPI空闲)时，时钟线保持低电平
CPHA：Clock PHAse 时钟相位
时钟相位决定 SPI 在何时锁定数据(决定数据采集的时刻)
CPHA = 1 在时钟线 SCLK 的第二个边沿锁存数据(数据采集)CPHA = 0 在时钟线 SCLK 的第一个边沿锁存数据(数据采集)
也就是说CPOL和CPHA的组合决定数据采集和数据发送的时刻
共四种通讯模式(Mode 0，Mode 1，Mode 2，Mode 3)
CPOL = 1，CPHA = 1 通讯模式：
(4) 数据帧格式
SPI 数据的收发是按Frame为单位，那么一帧数据传送的 bit 位数由什么决定？DFF：Data Frame Format 数据帧格式
8bits 一帧数据 8 bits
16bits 一帧数据 16 bits
SPI 数据的收发是按 Frame 为单位
那么一帧数据又是从LSB还是MSB开始发送？
LSBFIRST = 1 LSB(低bit)先发送LSBFIRST = 0 MSB(高bit)先发送
(5) 传输速率
传输速率由时钟频率决定，有一个原则：就低不就高
4. 模拟 SPI 时序收发数据
5. STM32 SPI 控制器
6. STM32 固件库 SPI 函数接口说明
SDO / SDI / SCLK都是复用自GPIO(无论是主从都没有区别)。如果作为从设备，则NSS(片选)也是复用自GPIO，如果是主设备，则不需要利用GPIO去复用为NSS
(1) 配置 SPI 的 GPIO 引脚
cppa. 使能 GPIO 时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(); b. GPIO_Init(); ---> AF c. 配置具体的复用功能 GPIO_PinAFConfig();(2) 配置 SPI 控制器
cppa. 使能 SPI 时钟 RCC_APBxPeriphClockCmd(); b. 配置 SPI 控制器 void SPI_Init(SPI_TypeDef *SPIx, SPI_InitTypeDef *SPI_InitStruct); @SPIx：指定要配置的SPI控制器编号 SPI1, SPI2 ... SP6 @SPI_InitStruct：指向初始化信息结构体 typedef struct { uint16_t SPI_Direction; 设置SPI的通信方式 可以是半双工/全双工/串行发/串行收 SPI_Direction_2Lines_FullDuplex 全双工 SPI_Direction_2Lines_RxOnly (两根线半双工)只收 SPI_Direction_1Line_Rx (一根线半双工)串行接收 SPI_Direction_1Line_Tx (一根线半双工)串行发 uint16_t SPI_Mode; 设置SPI的主从模式 SPI_Mode_Master 主设备 SPI_Mode_Slave 从设备 uint16_t SPI_DataSize; 设置SPI传输的数据位长度(数据帧的bit位数) SPI_DataSize_16b 数据位 16 SPI_DataSize_8b 数据位 8 uint16_t SPI_CPOL; 设置SPI的时钟极性(在空闲时SCK时钟线的电平状态) SPI_CPOL_Low 空闲时SCK为低电平 SPI_CPOL_High 空闲时SCK为高电平 uint16_t SPI_CPHA; 设置SPI的时钟相位(决定在SCK时钟线的第几个边沿采集数据) SPI_CPHA_1Edge 在第一个边沿采集数据 SPI_CPHA_2Edge 在第二个边沿采集数据 CPOL和CPHA的组合决定数据采集和数据发送的时刻 需要看从设备支持哪种模式，主模式和从模式必须统一 uint16_t SPI_NSS; 设置SPI的NSS信号是由硬件(NSS引脚)还是软件控制，可以理解为片选信号 SPI_NSS_Hard 由硬件NSS引脚控制 SPI_NSS_Soft 由用户软件代码控制 ----> GPIO 引脚 uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; 设置SPI波特率的预分频值 SPI波特率(传输速率) = SPI输入时钟频率(APBx时钟) / SPI_BaudRatePrescaler SPI_BaudRatePrescaler_2 2分频 SPI_BaudRatePrescaler_4 4分频 ... SPI_BaudRatePrescaler_256 256分频 uint16_t SPI_FirstBit; 指定SPI传输数据顺序是高位先发还是低位先发 SPI_FirstBit_MSB 高位先发 SPI_FirstBit_LSB 低位先发 uint16_t SPI_CRCPolynomial; 指定CRC(循环冗余校验)校验多项式 这个系数只需要大于1就可以了，为了提高通信可靠性 } SPI_InitTypeDef;(3) 使能 SPI
cppSPI_Cmd();(4) 收发 SPI 数据，以及一些状态标志位
cppa. 读数据：只有 RXNE == 1 时才能读（可以利用中断去读也可以轮询） 怎么去获取标志位： FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef *SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG); 返回值：SET ->1 / RESET -> 0 标志位有： #define SPI_I2S_FLAG_RXNE ((uint16_t)0x0001) #define SPI_I2S_FLAG_TXE ((uint16_t)0x0002) #define SPI_FLAG_CRCERR ((uint16_t)0x0010) #define SPI_FLAG_MODF ((uint16_t)0x0020) #define SPI_I2S_FLAG_OVR ((uint16_t)0x0040) #define SPI_I2S_FLAG_BSY ((uint16_t)0x0080) .... 怎么读：uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef *SPIx); -------------------------------------------------------------------------- 举例子：利用轮询去接收数据 unsigned char SPI1_Recv_Byte(void) { while (SPI_GetFlagStatus(SPI1, SPI_FLAG_RXNE) != SET); return SPI_ReceiveData(SPI1); } ---------------------------------------------------------------------------- b. 发数据：只有 TXE == 1 时才能发送数据 如何发：void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef *SPIx, uint16_t Data); ----------------------------------------------------------------------------- 举例子： Void SPI1_Send_Byte(unsigned char ch) { while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET); SPI_I2S_SendData(SPI1, ch); }
7. W25Q128
W25Q128 是一款 SPI 接口的 flash 存储器芯片
内存：易失性存储器
EEPROM：非易失性存储器，小容量
FLASH：非易失性存储器，容量比较大
磁盘：非易失性存储器
......
易失 / 非易失：指存储器断电后，它存储的数量内容是否会丢失
实现 在 SPI 串行Flash W25Q128 存储芯片的任意地址读写任意字节的数据
(1) 接口说明(见原理图)
引脚：W25Q128 MCU
CS ---------- PB14
CLK <---------- PB3 ----- SPI1_SCK
SO ----------> PB4 ----- SPI1_MISO
SI <---------- PB5 ----- SPI1_MOSI物理上，全双工的
CS：片选引脚(低电平有效)
当CS管脚为高电平时，芯片处在不选择的状态
当CS管脚为低电平时，芯片处于被选择的状态(此时才能够与MCU通信)
(2) W25Q128 内部存储结构
内部存储地址是24bits，这24bits分为了4个部分：
8bits 4bits 4bits 8bits
block number sector number page number byte number
块地址 扇地址 页地址 字节地址
那么 W25Q128 共有 = 256 block(块) 一块65536个字节
每块 block = 16 sector(扇) 一扇4096个字节(4K)
每扇 sector = 16 page(页) 一页256个字节
每页 page = 256 byte(字节)
1GB＝1024MB，1MB＝1024KB，1KB＝1024Bytes，2^10 = 1024
所以 W25Q128 的存储大小 = 256 * 16 * 16 * 256 = 2^24 Bytes = 16 M
反推可知，假设某个字节的地址为x，则该字节位于：
(x >> 16) & 0xFF 块号
(x >> 12) & 0xF 扇号
(x >> 8) & 0xF 页码
x & 0xFF 字地址(页内偏移地址)
如果要往W25Q128中写入数据的话，需要分为两个步骤：
a. 擦除 (擦除区域被置位1)
因为数据修改，二进制：1可以变成0，0不能变成1
擦除：给存储单元充电 ----> 电压升高 ----> 写1 ----> 0xFF 放电：写0
以 块 或者 半块 或者 扇区 或者整个芯片为单位，清除数据
b. 写入(编码)
W25Q128芯片所有的操作，全部都是通过指令来进行的
所以，我们的STM32要想控制W25Q128工作，只需要利用SPI总线，给W25Q128发送相应的指令就可以了(不能像内存一样直接寻址)
(3) W25Q128 的指令(详情见中文手册<9.2 指令>)
W25Q128一共有34个基本指令，指令都是以/CS下降沿开始的
/CS下降沿开始：表示发送指令前，必须先将对应的片选引脚输出为低电平，也就是MCU要先将PB14拉低才能发送指令
第一个传输的字节是指令码
指令其实就是一个字节的十六进制数(如手册表中所示)
在DI上传输的数据是在时钟的上升沿被锁存的
MCU发给W25Q128的数据(指令)，必须在时钟的上升沿锁存，也就是说W25Q128是在时钟的上升沿去采样所以这里就注定了CPOL和CPHA该如何配置
英文版手册<6.1.1 Standard SPI Instructions>中介绍了W25Q128 SPI Bus支持Mode 0(0,0)和Mode 3(1,1)MSB首先被传输 --->高位先发，SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB
/CS拉高(MCU将PB14拉高指令发送完成)
所有的读指令可以在任何时钟周期结束。但是，所有的擦写指令必须在 /CS 拉高之后还有一个8位的时钟间隔，否则前面的擦写指令将被忽略
发送擦写指令后，必须再过8个 SPI 时钟周期才能发送下一个指令a. 读状态寄存器指令(指令：0x05 / 0x35)
读取状态寄存器SR1 ---> 0x05
读取状态寄存器SR2 ---> 0x35
MCU向W25Q128发送读取状态寄存器指令完成后，W25Q128回复一个字节的状态寄存器SRx的状态码给MCU
cppSR1：<9.控制和状态寄存器> Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 SRP-0 SEC TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY BUSY：为1表示W25Q128忙碌，为0表示空闲 主机在发送指令之前，必须要先判断从设备的状态是否忙碌 BUSY == 0时，才能发送指令 WEL：为1表示写使能，可以写入 为0表示写禁止，不能写入 BP0-BP2：块保护(指定某些块只能读不能写) TB：顶部/底部块保护 SEC：扇区/块保护 SRP-0：保护的方法
cpp举个例子： #define W25Q128_ENBALE() GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14) // CS->0 #define W25Q128_DISBALE() GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14) // CS->1 unsigned char Get_W25Q128_SR1(void) { // 使能片选，选中W25Q128 W25Q128_ENBALE(); // 发送读取SR1的指令 Write_Bytes_To_W25Q128(0x05); /* MCU向W25Q128发送读取状态寄存器指令完成后 W25Q128回复一个字节的状态寄存器SRx的状态码给MCU */ // 接收SR1的值 unsigned char status = Read_Bytes_From_W25Q128(); // 禁止芯片 W25Q128_DISBALE(); return status; // if (status & 0x01 != 0) ---> 表示W25Q128忙碌 }b. 读取 W25Q128 的 ID(指令：0x90)
1 2 3 4 5 6
Manufacturer/Device ID(2) 90h 00 00 00h (MF7-MF0) (ID7-ID0)
cppuint16_t Read_W25Q128_ID(void) { // 使能片选，选中W25Q128 W25Q128_ENBALE(); // 发送读取ID的指令 Write_Bytes_To_W25Q128(0x90); Write_Bytes_To_W25Q128(0x00); Write_Bytes_To_W25Q128(0x00); Write_Bytes_To_W25Q128(0x00); // 厂商ID uint8_t idh = Read_Bytes_From_W25Q128(); // 设备ID uint8_t idl = Read_Bytes_From_W25Q128(); // 禁止芯片 W25Q128_DISBALE(); uint16_t id = idh << 8 | idl; printf("厂商：%x 设备：%x\n", id >> 8, id & 0xFF); return id; }
