SPI通信-（STM32）

aloneboyooo2025-01-04 2:03

一、SPI通信协议原理

图片：1、W25Q64flash存储芯片 2、SPI OLED显示屏 3、2.4G无线通信模块NRF24L01 4、Micro ID卡

SPI通信最大速率取决于芯片厂商的设计需求。需要四根通信线，全双工。一主多从（通过ss片选进行从机选择），无应答机制设计。

硬件电路

作为单端信号，所有的设备都需要共地。主从机还需要供电。推挽输出保证了SPI下降沿和上升沿都非常快，保证了通信速率。

防止从机的推挽输出MISO引脚断路，SPI规定当从机SS未被选中，从机的MISO一定要为高阻态。

通信移位示意图：

可以看到主从机皆发送高位先行，接收低位先接收到然后移位。通信根据时钟（波特率发生器进行时钟通信同步）。

上升沿所有数据向左移位一次，移除出的1bit在引脚电平上。下降沿设备从线上读取电平到移位寄存器的最低位。

第一个上升沿

第一个下降沿

若需要发送同时接收，直接交换数据到位移寄存器，交换结束后读取位移寄存器数据即可。

若只需要发送，则直接交换数据到位移寄存器，然后不读取交换后的数据即可。

若只想接收，则随便发送一个数据，将置换过来的数据读取就行。

基本通信单元：低电平片选

时序基本单元：根据CPOL和CPHA（时钟相位）配置SPI模式，不同的模式规定了空闲状态的SCK，SCK第一个边沿进行移入/移除数据。

第一个边沿移入数据的话，那么SS选中低电平时进行第一个数据的移出。SCK高电平位移寄存器进行数据获取。

若交换一字节后继续操作主机不需要进行取消片选。

模式中最常用的为模式0；

通信时序示例：

主机 发送0x06，从机返回0xFF，可以看到高位先行。模式0下，SCK默认低电平，SCK第一个边沿进行移入（上升沿），第二个边沿（下降沿）进行移出。（ss起始为数据移出）。若要进行持续写数据，在SCK下降沿写入数据，SCK上升沿读取数据写入即可（没有应答机制，直接持续时序即可）。

SPI通信和I2C不一样，一般第发送的第一个字节为指令码（表示为什么操作），后面为具体操作。详细应该根据芯片通信协议手册。

指定地址写（高位先行）：

示例为指定地址写，W25Q64为24bit地址为3byte，所以发送控制指令后需要发送3byte地址（同样高位先行），

指定地址读（高位先行）：

示例为指定地址读，W25Q64为24bit地址为3byte，所以发送控制指令后需要发送3byte地址（同样高位先行），读数据和从机交换的数据任意，此处为0xFF。

总的来说，指定地址写和指定地址都都是根据W25Q64协议来的，实际上SPI通信模式0时序没变。

二、模块介绍

W25Q64（AT24C02使用I2C）：

非易失性存储器一般为Flash（Nor Flash、Nand Flash）、EEPROM。

易失性存储器一般为SRAM、DRAM。

固件程序存储为XIP（eXecute in Place）：直接把程序文件下载到外挂芯片中，需要执行程序时，直接读取外挂文件的程序芯片进行执行。就地执行，比如电脑里的BIOS固件。

双重SPI和四重SPI，利用总线线束进行多根一起收发（MISO、MOSI、WP写保护、HOLD），提高通信速率。

寻址为24bit， = 1677216/1024/1024 = 16MB，所以最大寻址空间为16MB。W25Q64为8MB，可进行完全寻址（含义为：寻址24bit表示，说明flash的可使用容量大小肯定小于，这样才能完全覆盖内存地址）。对W25Q256有3byte寻址模式和4byte寻址模式，3byte寻址模式为24bit，只能操作前16MB内存。

电路原理图

hold：在通信时，通过HOLD低电平可以保持芯片当前引脚状态。这个时间主机可以释放CS做其他事情，后面可以继续（接着之前的时序）操作该芯片（注意片选要恢复低电平）。

W25Q64内存框图（存储空间(8MB，寻址24Bit)-Block(64KB,8*1024/64=128块)-Sector（4KB，64/4=16扇区）-Page（256B，4*1024 /256= 16页））：

图Block可知，起始到结束000000h-00FFFFh（B=65536B/1024=64KB），其中起始地址从000000h-7F0000h，共有128Block。

图Sector可知，起始到结束0000h-0FFFh（B=4096B/1024=4KB），其中起始地址从0000h-F000h，1Block共有16Sector。

图Sector可知，第一个Sector，起始到结束0000h-00FFh（B=256B），其中起始地址从0000h-0F00h，1Sector共有16Page。

图中为通过24bit寻址地址区分Block、Sector、Page。每个地址为1B。

High Voltage是高电压生成器，在掉电时保持芯片电路的状态。例如对点亮的和烧坏的LED表示1，熄灭的表示0，所以对应掉电不丢失的存储器需要一个高压源。

通信时24bit，其中的前16bit存入Byte Address Latch/Counter，低8bit存入Page Address Latch/Counter。因为存储器逻辑是通过page为行，所以通过行解码和列解码分别进行指定，然后定位地址位置，进行读写。读写后可以通过指针自动+1.

Column Decode And 256-Byte Page Buffer存有256B的页缓冲区，是RAM。通过这里缓冲进行寄存器读写。类似于cache，所以一次时序写入的字节不能超过256B。所以每次写入（擦除也同样）芯片会有一段时间Busy，会置Busy位，不会响应新的时序。

flash操作注意事项：

因写入需要擦除，所以Flash中0xFF为空白。最小为Sector单位擦除。最小为Page写入（受缓冲影响）。

手册：

状态寄存器

Busy位，会在写入（页编程）、擦除（扇区、块、整块）操作置位，不响应其他操作。会自动清0。

Write Enable Latch 写使能锁，当写使能=1，可以进行写入，当写失能=0，不能写入。设备会在上电、读取到写失能指令、写入（页编程）、擦除（扇区、块、整块）。在页编程后会自动进行写失能。

指令集和id

分为芯片id和厂商id，在测试通信时会首先进行芯片id的读取。

三、STM32外设SPI介绍

SPI和I2C一般都为高位先行。串口为低位先行。

STM32的APB2的PCLK为72MHz，APB1的PCLK=36MHz。

I2S是音频传输协议

SPI框图

收发流程：

1、默认空闲状态，数据从数据总线传输到发送寄存器

2、此时移位寄存器为空，发送寄存器数据会进入移位寄存器，当发送数据寄存器为空，TXE=1，表示后面的数据可以继续传入发送寄存器。

3、移位寄存器内的数据根据时钟自动通过MOSI进行发送，同时MISO的数据对应根据时钟交换转入进入移位寄存器。

4、当交换结束，位移寄存器内为接收到的数据，会自动存入接收寄存器，会置RXNE=1表示接收非空，此时可自行读取接收寄存器数据（尽快读出，否则会被下个数据覆盖）。

5、如此通过写入发送寄存器、位移寄存器交换数据、读取接收寄存器、如此紧密配合可以进行完整的数据连续收发。

USART是全双工、异步通信、所以移位寄存器和发送接收寄存器都是单独的。

I2C是半双工（发送和接收不会同时进行）所以发送接收寄存器和移位寄存器共用。

SPI是全双工（虽然只有单根线，但是为交换数据）、所以发送接收寄存器分开，但是移位寄存器共用。

可以指定高位先行还是低位先行

SPI简化结构图：

传输时序图（使用硬件通信，需要看硬件时序图，根据时序进行配置）：

连续传输

主模式，全双工连续传输MODE=3示意图，MISO/MOSI（输入）上面为输出波形。

首先SS低电平，没画但是必须有。

1、SCK下降沿MOSI数据移出，SCK上升沿MISO数据移入。可以看到MISO和MOSI跟随SCK出现（低位先行，常用高位先行）。

2、Busy为忙标志位，当有数据传输时，Busy置1，可以看到在数据读入后，开始置1，一直到结束后的数据移入结束。

3、发送缓冲器中，当波形开始时TXE=1，软件直接桨F1数据写入发送缓冲器，在下一移出SCK边沿出现时，TEX会置0，此时软件检测到后，直接软件写入F2数据到发送缓冲器。然后在F1的数据传输过程中TEX都会=0。当F1传输完成后，会自动在下一移出SCK边沿，F2进入移位寄存器。TEX=1，在下一移出SCK边沿出现，软件直接写入F3即可。如此连续传输数据。在最后一个数据传输时，TXE=1后不在软件写入数据到发送缓冲器，直到SPI忙状态结束传输完毕。

4、接收缓冲器同发送缓冲器，在每次接收到1byte数据的最后一个移出边沿。会置RXNE=1，在下一数据覆盖接收寄存器前，接受寄存器内存储刚接收到的数据，需要及时读出。

非连续传输（发送）

1、数据根据SCK下降沿输出，上升沿输入。MOSI根据SCK进行逐渐发出

2、先将数据写入发送缓冲器，然后开始时序进行数据发送。可以看到TXE获取到一次数据后一直置1。直到BSY清零为数据发送结束。在数据发送接收后即可等待RXEN=1，进行数据获取。

3、在每次开始通信前进行数据写入即可。

不同SCLK非连续发送间隙情况：

72MHz/256 = 280K

64分频=1MHz

2分频 = 36MHz（超过了示波器的采样频率，所以波形看不完整，但是还是可以看出中间的间隔时间很长，拖延了通信速率）

软硬件SPI对比

可以看到硬件反应快，边沿几乎紧贴。

其他：

软件写入DR，会自动清除TXE。

四、程序实例

​​​​​​

1、软件模拟写读W25Q64，显示到OLED

|------|--------|----------------------------------------|-------------------|-----------------------------------------------------------------|----------------------|-----------------------|
| 文件名 | main.c | Software_ SPI.c | Software_ SPI.h | Software_ W25Q64.c | Software_ W25Q64.h | Software_ W25Q64Reg.h |
| 文件内容 | 主函数 | 软件模拟SPI，时序基本单元函数（起始、结束、接收1bit、交换1Byte） | Software_SPI.c头文件 | W25Q64使用软件模拟函数实现读写，包括擦除扇区、等待芯片忙状态结束、写使能、写入指定地址和长度字节、读取指定地址和长度字节 | Software_W25Q64.c头文件 | W25Q64寄存器和结构体共用体宏定义 |

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Software_W25Q64.h"
uint8_t ID[3];
uint8_t W25Q64_DataW[]={0x01,0x02,0x03,0x04};
uint8_t W25Q64_DataR[4];

int main(void){
	OLED_Init();
	Software_W25Q64_Init();
	
	OLED_ShowString(1,1,"ID:");
	
	Software_W25Q64_GetID(&ID[0],&ID[1],&ID[2]);
	OLED_ShowHexNum(1,4,ID[0],2);
	OLED_ShowHexNum(1,7,ID[1],2);
	OLED_ShowHexNum(1,10,ID[2],2);
	
	while(1){
		
		Software_W25Q64_Write(1,&W25Q64_DataW[0],4);
		Software_W25Q64_Read(1,&W25Q64_DataR[0],4);
		for(int i=0;i<4;i++){
			OLED_ShowHexNum(2,1+3*i,W25Q64_DataW[i],2);
			OLED_ShowHexNum(3,1+3*i,W25Q64_DataR[i],2);
			W25Q64_DataW[i]++;
		}
		Delay_ms(200);	
		
	}
	return 0;
}

Software_SPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#define SPI_SCK(x) 			GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5, (BitAction)(x))
#define SPI_NSS(x)  		GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4, (BitAction)(x))
#define SPI_MOSI_SEND(x) 	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7, (BitAction)(x))
/**
  * @brief 软件模拟SPI初始化，使用STM32-SPI1的引脚，可以做到软硬件直接切换
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_SPIInit(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_7 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;//MOSI-NSS-SCK
	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;//MISO
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	SPI_NSS(1);
	SPI_SCK(0);
}

/**
  * @brief 软件SPI开始信号，片选选择
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_SPI_Start(void){
	SPI_NSS(0);
}

/**
  * @brief 软件SPI通信结束，片选停止
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_SPI_Stop(void){
	SPI_NSS(1);
}

/**
  * @brief 软件I2C获取MISO从机输出数据1bit,本文件自己使用，所以.h文件不进行
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
uint8_t SPI_MISO_GET(void){
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}


/**
  * @brief 软件SPI数据交换1Byte
  * @param  SendByte:发送的字节数据
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval 返回交换的Byte
  */
uint8_t Software_SPI_SwapByte(uint8_t SendByte){
	uint8_t GetByte=0;
	for(int i=0;i<8;i++){
		SPI_MOSI_SEND((BitAction)(SendByte&(0x80>>i)));
		SPI_SCK(1);
		if(SPI_MISO_GET()){
			GetByte |=  0x80>>i;
		}
		SPI_SCK(0);
	}
	return GetByte;
}

Software_SPI.h

#ifndef __SOFTWARE_SPI_H
#define __SOFTWARE_SPI_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Software_SPIInit(void);
void Software_SPI_Start(void);
void Software_SPI_Stop(void);
uint8_t Software_SPI_SwapByte(uint8_t SendByte);
#endif

Software_W25Q64.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Software_SPI.h"
#include "Software_W25Q64.h"
#include "Software_W25Q64Reg.h"

/**
  * @brief 初始化
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_W25Q64_Init(void){
	Software_SPIInit();
}




/**
  * @brief 软件SPI清除W25Q64扇区
  * @param  SectorAddress:清除地址所在扇区的地址，一般用扇区起始地址，可查看手册计算，
  *     @arg W25Q64为24bit寻址，应输入24bit地址，此处取低地址。擦除默认为0xFF，需要先进行写使能
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_W25Q64_ClearSector(uint32_t SectorAddress){
	uint32_t SendAddress = 0x00FFFFFF & SectorAddress;
	
	Software_W25Q64_WriteEnable();
	
	Software_SPI_Start();
	Software_SPI_SwapByte(Sector_Erase_4KB);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>16);//程序只发送低位，无需处理
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>8);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress);
	Software_SPI_Stop();
	
	Wait_W25Q64_BusyEnd();
}

/**
  * @brief 等待W25Q64忙状态结束，超时计时20000约400ms（计时可根据实际情况更改），根据手册擦除50-100k最大400ms
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Wait_W25Q64_BusyEnd(void){
	uint32_t TimeOut = 0;
	uint8_t Status_Register1 = 0xFF;
	
	Software_SPI_Start();
	
	Software_SPI_SwapByte(Read_Status_Register_1);
	do{
		Status_Register1 = Software_SPI_SwapByte(0xFF);
		TimeOut++;
		if(TimeOut>=100000){
			Software_SPI_Stop();
			break;
		}
	}while(Status_Register1&0x01);
	
	Software_SPI_Stop();
}

/**
  * @brief 软件SPI写入W25Q64，最大为1Page，256B，此函数写入时会清除地址所在的Sector（4KB）
  * @param  PageAddress:写入的页地址，W25Q64为24bit地址
  *     @arg 建议为页起始地址，若超出页范围会从页起始写入，覆盖原数据
  * @param  WriteArray:写入的数组起始指针,先写低下标数据
  *     @arg 
  * @param  ArrayLength:写入的数组长度
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_W25Q64_Write(uint32_t PageAddress,uint8_t *WriteArray,uint16_t ArrayLength){
	uint32_t SendAddress = 0x00FFFFFF & PageAddress;
	
	//写入操作前对当前地址数据进行清除，Flash只能写入0，清除后为0xFF
	Software_W25Q64_ClearSector(SendAddress);
	
	//开启写使能
	Software_W25Q64_WriteEnable();
	
	//起始
	Software_SPI_Start();
	
	//页编程指令+地址
	Software_SPI_SwapByte(Page_Program);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>16);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>8);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress);
	
	//数据写入
	for(int i=0;i<ArrayLength;i++){
		Software_SPI_SwapByte(WriteArray[i]);
	}
	
	//停止
	Software_SPI_Stop();
	
	//等待忙状态结束
	Wait_W25Q64_BusyEnd();
}

/**
  * @brief 软件SPI读入W25Q64，最大为1Page，256B
  * @param  PageAddress:写入的页地址，W25Q64为24bit地址
  *     @arg 建议为页起始地址，若超出页范围会从页起始写入，覆盖原数据
  * @param  WriteArray:写入的数组起始指针,先写低下标数据
  *     @arg 
  * @param  ArrayLength:写入的数组长度
  *     @arg 
* @retval 函数不能返回局部变量的地址，局部变量会在函数结束时释放，所以未使用返回地址的方法
  */
void Software_W25Q64_Read(uint32_t PageAddress,uint8_t *ReadArray,uint32_t ArrayLength){
	uint32_t SendAddress = 0x00FFFFFF & PageAddress;
	//起始
	Software_SPI_Start();
	
	//读数据指令+地址
	Software_SPI_SwapByte(Read_Data);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>16);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress>>8);
	Software_SPI_SwapByte(SendAddress);
	
	//数据读取
	for(uint32_t i=0;i<ArrayLength;i++){
		ReadArray[i] = Software_SPI_SwapByte(0xFF);
	}
	
	//停止
	Software_SPI_Stop();
}

/**
  * @brief 软件SPI获取供应商id和芯片驱动id
  * @param  MANUFACTURER_ID 获取的供应商id变量指针
  *     @arg 
  * @param  Device_ID_H 获取的芯片驱动id高8bit变量指针
  *     @arg 
  * @param  Device_ID_L 获取的芯片驱动id低8bit变量指针
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_W25Q64_GetID(uint8_t *MANUFACTURER_ID,uint8_t *Device_ID_H,uint8_t *Device_ID_L){
	Software_SPI_Start();
	Software_SPI_SwapByte(JEDEC_ID);
	MANUFACTURER_ID[0] = Software_SPI_SwapByte(0xFF);
	Device_ID_H[0] = Software_SPI_SwapByte(0xFF);
	Device_ID_L[0] = Software_SPI_SwapByte(0xFF);
	Software_SPI_Stop();
}
	
/**
  * @brief 写使能
  * @param  
  *     @arg 
  * @param  
  *     @arg 
  * @retval None
  */
void Software_W25Q64_WriteEnable(void){
	Software_SPI_Start();
	Software_SPI_SwapByte(Write_Enable);
	Software_SPI_Stop();
}

Software_W25Q64.h

#ifndef __SOFTWARE_W25Q64_H
#define __SOFTWARE_W25Q64_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Software_W25Q64_ClearSector(uint32_t SectorAddress);
void Software_W25Q64_Init(void);
void Wait_W25Q64_BusyEnd(void);
void Software_W25Q64_WriteEnable(void);
void Software_W25Q64_Write(uint32_t PageAddress,uint8_t *WriteArray,uint16_t ArrayLength);
void Software_W25Q64_Read(uint32_t PageAddress,uint8_t *WriteArray,uint32_t ArrayLength);
void Software_W25Q64_GetID(uint8_t *MANUFACTURER_ID,uint8_t *Device_ID_H,uint8_t *Device_ID_L);
#endif

Software_W25Q64Reg.h

#ifndef __SOFTWARE_W25Q64REG_H
#define __SOFTWARE_W25Q64REG_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

#define Write_Enable 0x06
#define Read_Status_Register_1 0x05
#define Page_Program 0x02
#define Sector_Erase_4KB 0x20
#define Block_Erase_32KB 0x52
#define JEDEC_ID 0x9F
#define Read_Data 0x03

#endif

2、硬件模拟

NSS继续使用软件模拟实现。硬件SPI根据手册有连续读写方法和非连续读写方法，非连续方法在通信速率高时会造成时间浪费，下面程序中有连续、非连续SPI函数，读写W25Q64使用连续方法。

|------|--------|----------------------------------------------------------------------------------------------------|------------------------|------------------------|
| 文件名 | main.c | Hardware_ W25Q64.c | Hardware_ W25Q64.h | Hardware_ W25Q64Reg .h |
| 文件内容 | 主函数 | 硬件SPI初始化，硬件通信单元函数（起始、停止、交换1Byte、交换指定字节、等待状态寄存器置位函数），W25Q64读写函数（扇擦除、忙状态等待、W25Q64写、W25Q64读、ID获取、写使能） | Hardware_ W25Q64.c 头文件 | 寄存器宏定义、共用体等 |

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