stm32之软件SPI读写W25Q64存储器应用案例

钟剑锋-JeffChong2024-09-07 9:41

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1. stm32之SPI通信协议

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前言

提示：本文主要用作在学习江科大自化协STM32入门教程后做的归纳总结笔记，旨在学习记录，如有侵权请联系作者

本案例使用软件SPI通信的方式实现了STM32与W25Q64 Flash存储器的通信，完成了常见的Flash存储器操作如读ID、页写、扇区擦除、读取数据等。

一、电路接线图

下图所示为W25Q64模块硬件接线图，左边是W25Q64模块作为从机，右边是stm32作为主机。为了方便下一章节硬件SPI的接线，这里直接就选择了硬件SPI1外设的接线方式。其中PA4对应主机的从机选择线SPI1_NSS连接到从机的CS引脚，PA5对应主机的时钟同步线SPI1_SCK连接到从机的CLK引脚，PA6对应主机的主机输入从机输出线SPI1_MISO连接到从机的DO引脚，PA7对应主机的主机输出从机输入线SPI1_MOSI连接到从机的DI引脚。最后，W25Q64模块的VCC和GND分别接到stm32的电源正负极进行供电。

二、应用案例代码

MySPI.h：

c 复制代码 
#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_H

void MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);

#endif

MySPI.c：

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	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);
	
	MySPI_W_SS(1);
	MySPI_W_SCK(0);
}

void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

W25Q64.h：

c 复制代码 
#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_H

void W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count);

#endif

W25Q64_Ins.h：

c 复制代码 
#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

W25Q64.c：

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)
	{
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable();
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}

void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}

void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}
	MySPI_Stop();
}

main.c：

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"

uint8_t MID;
uint16_t DID;

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	OLED_Init();
	W25Q64_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");
	
	W25Q64_ReadID(&MID, &DID);
	OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);
	OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);
	
	W25Q64_SectorErase(0x000000);
	W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);
	
	W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);
	
	OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);
	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);
	OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
	
	while (1)
	{
		
	}
}

完整工程：stm32之软件SPI读写W25Q64存储器

三、应用案例分析

从整体架构来看主要分为SPI通信模块、W25Q64模块，接下来重点分析一下SPI通信模块以及W25Q64模块。

3.1 SPI通信模块

SPI通信模块主要封装了一个模块初始化函数和三个时序单元模块。

SPI模块初始化函数：

c 复制代码 
void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	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);
	
	MySPI_W_SS(1);
	MySPI_W_SCK(0);
}

这个没什么好讲的了，都是一样的套路了。

这里要注意一下的就是PA4（SS）、PA5（SCK）、PA7（MOSI）引脚配置为推挽输出模式（GPIO_Mode_Out_PP），用于主设备主动输出信号。PA6（MISO）配置为上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU），表示从设备的数据通过此引脚传输到主设备。

最后再设置一下总线的初始状态即可，设置 SS 引脚为高电平，即取消选择从设备，然后初始化时钟引脚为低电平。

三个时序单元模块：

三个时序单元分别是起始信号、终止信号以及交换一个字节。

起始信号、终止信号：

c 复制代码 
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

起始条件：SS从高电平切换到低电平

终止条件：SS从低电平切换到高电平

交换一个字节：

c 复制代码 
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

交换一个字节(模式0)：
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

交换一个字节的时序这里用的是模式0。起始信号之后先立刻将数据的最高位B7移出，然后在SCK的第一个上升沿后读入B7，然后在SCK的第一个下降沿移出次高位B6，然后在SCK的第二个上升沿读入B6，然后在SCK的第二个下降沿移出B5...如此循环8次，最终在SCK的第八个上升沿读入B0完成一个字节的交换。

至于关于代码部分的按位与(提取字节中的每一位)和按位或(设置字节中的某位)以及左移、右移操作的解析在我之前的一篇文章里已经详细地分析过了，如果有不懂的就翻回去看看就行了，这里就不再累述了。

文章传送门：计算机常见运算之左移操作、右移操作以及按位与、按位或

3.2 W25Q64模块

W25Q64模块主要由模块初始化函数、写使能、页编程(写入数据)、读取数据、忙等待、读取ID号以及扇区擦除等模块组成。

W25Q64模块初始化函数：

c 复制代码 
void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

调用MySPI_Init()函数，完成引脚配置和SPI的初始化。

写使能：

c 复制代码 
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);// 发送写使能命令
	MySPI_Stop();
}

发送写使能命令，以允许后续的写入或擦除操作。

页编程(写入数据)：

c 复制代码 
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count) 
{
    uint16_t i;
    
    W25Q64_WriteEnable(); // 写使能
    
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM); // 发送页编程命令
    MySPI_SwapByte(Address >> 16); // 发送地址高8位
    MySPI_SwapByte(Address >> 8);  // 发送地址中8位
    MySPI_SwapByte(Address);       // 发送地址低8位

    for (i = 0; i < Count; i ++) { // 发送要写入的数据
        MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
    }

    MySPI_Stop();
    
    W25Q64_WaitBusy(); // 等待存储器空闲
}

页编程操作首先通过W25Q64_WriteEnable()函数启用写操作，然后发送页编程命令W25Q64_PAGE_PROGRAM，接着发送地址，并逐字节将数据写入存储器。

关于依次提取3字节24位中的每一个字节的问题有几点要注意一下，假设我传入的地址是Address = 0x123456，那么我们就需要依次发送0x12、0x34、0x56，那如何提取呢？

我们可以这样操作：

原始值Address：0x123456

0001 0010 0011 0100 0101 0110

右移十六位---> 0x12

0000 0000 0000 0000 0001 0010

右移八位---> 0x1234

0000 0000 0001 0010 0011 0100

可以看到如果是右移八位，那么得到的是0x1234，但是我们想要的是0x34才对啊？但其实代码里这样写也是没问题的，因为MySPI_SwapByte函数的形参是uint8_t，传入0x1234就只会接收低八位的0x34，但是这样的话理解起来就有点那啥了。

其实我们还可以这样做，直接右移以后再做个按位与操作就可以了，比如MySPI_SwapByte((Address >> 8) & 0xFF);这样就直接得到0x34了，当然第三位也需要执行按位与操作，MySPI_SwapByte(Address & 0xFF);

两种方法都可以，我这里只是提一下。

读数据：

c 复制代码 
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count) 
{
    uint32_t i;
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA); // 发送读取数据命令
    MySPI_SwapByte(Address >> 16); // 发送地址高8位
    MySPI_SwapByte(Address >> 8);  // 发送地址中8位
    MySPI_SwapByte(Address);       // 发送地址低8位
    for (i = 0; i < Count; i ++) { // 读取数据
        DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
    }
    MySPI_Stop();
}

读取数据命令W25Q64_READ_DATA，发送要读取的地址，然后通过SPI逐字节读取指定数量的数据到DataArray中。

忙等待：

c 复制代码 
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);// 读取状态寄存器1
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01){// 检查忙标志位
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

发送读取状态寄存器1命令，进入循环等待存储器空闲（即状态寄存器的最低位变为0），避免在存储器仍处于忙碌时进行新的操作。

读厂商、设备ID：

c 复制代码 
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID) 
{
    MySPI_Start(); // 片选低电平，开始通信
    MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); // 发送读取ID命令
    *MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); // 接收制造商ID
    *DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); // 接收设备ID高8位
    *DID <<= 8;
    *DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); // 接收设备ID低8位
    MySPI_Stop(); // 片选高电平，结束通信
}
  • 首先，调用MySPI_Start()开始SPI通信，然后发送读取设备ID命令W25Q64_JEDEC_ID。随后，通过MySPI_SwapByte函数接收制造商ID和设备ID。
  • 制造商ID（MID）为一个字节，设备ID（DID）为两个字节。

扇区擦除：

c 复制代码 
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address) 
{
    W25Q64_WriteEnable(); // 写使能
    
    MySPI_Start();
    MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB); // 发送扇区擦除命令
    MySPI_SwapByte(Address >> 16); // 发送地址高8位
    MySPI_SwapByte(Address >> 8);  // 发送地址中8位
    MySPI_SwapByte(Address);       // 发送地址低8位
    MySPI_Stop();
    
    W25Q64_WaitBusy(); // 等待存储器空闲
}

扇区擦除命令W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB用于擦除特定地址所在的扇区，地址通过三次发送高、中、低8位地址来指定。

3.3 主程序

主程序整体代码逻辑大概是，首先读取从机的ID信息并显示在OLED屏幕上，然后执行一个扇区擦除操作，接着在该扇区中写入4个字节的数据，最后将写入的数据读取出来，并在OLED上显示。

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"

uint8_t MID;// 制造商ID (Manufacturer ID)
uint16_t DID;// 设备ID (Device ID)

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	// 硬件初始化
	OLED_Init();
	W25Q64_Init();
	
	
	OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");
	
	// 读取并显示W25Q64的ID信息
	W25Q64_ReadID(&MID, &DID);
	OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);
	OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);
	
	// 擦除W25Q64的一个扇区并写入数据
	W25Q64_SectorErase(0x000000);
	W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);
	
	// 读取数据并显示
	W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);
	
	OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);
	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);
	OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
	
	while (1)
	{
		
	}
}
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