stm32-SPI通信协议、软件SPI

简介

SCK 就是时钟线，MOSI 是主机输出从机输入，MISO 是主机输入从机输出，SS是从机选择。有时候也不叫这些名字。

相比于I2C使用最少的线实现最多功能的复杂设计，SDA既收发数据，还要寻址和收发应答，SPI就是使用更多的线追求简单快速 实现功能，但这么多线也会造成资源浪费并且成本高。MOSI只用于主机向从机发送数据，MISO只用于主机接收从机的数据，SPI也不像I2C一样要进行寻址，它直接给每个从机都分配一根SS线，有多少从机就有多少SS线。

SPI是同步、全双工 。只支持一主多从，不支持多主机模式。

硬件电路

对于主机，SCK、SS和MOSI只会输出，MISO只会输入，所以不会存在冲突问题。主机和从机之间也需要共地，GND连接在一起，从机没有独立供电时主机也要给从机供电。

输出引脚都配置为推挽输出 ，相比于I2C开漏输出的弱上拉，推挽输出对高低电平都有强驱动能力，电平变化迅速，所以SPI数据传输速度 比I2C快得多，可以达到几十兆赫兹。输入引脚配置为浮空输入或者上拉输入。

主机要通信时就拉低对应设备的SS线，其他设备的SS都是高电平，为了避免多台从机发送数据造成冲突，SPI规定只有SS低电平即被选中的设备才能发送数据，MISO引脚配置为推挽输出；SS高电平即没被选择的设备MISO引脚必须为高阻态，相当于没有电平，不能发送数据。

移位示意图

收发数据靠的是主机和从机交换数据 ，主机内部的波特率发生器也就是时钟既连接主机又连接从机。和I2C一样是先高位后低位。

两者内部的移位寄存器里放入要交换的数据，比如在时钟的上升沿时两个数据向左移位，如图就是主机的１和从机的０分别移到了MOSI和MISO线上，所以MOSI高电平，MISO低电平，两个寄存器右边的最低位空了出来；随后在时钟的下降沿时数据位１移入了从机寄存器的空位，数据位０移入主机寄存器空位。

下一个时钟上升沿数据继续左移，主机的０和从机的１被移到线上，所以MOSI低电平，MISO高电平，又分别产生了一个空位；再下降沿，０进入从机的空位，１进入主机的空位。后面的６位数据都如此循环，最后数据交换完成，同时进行了数据发送和接收。也就相当于上升沿改变电平，下降沿采集电平了。SPI不需要应答。

如果主机想只发送不接收，依然需要和从机交换数据，只不过从机发来的数据主机不处理就行了，一般从机会设置发送0x00或者0xff；主机只接收不发送也一样，和从机交换数据，只是主机发送的数据是随意的，从机也不会去处理，一般主机也是发送0x00或者0xff。

软件时序

基本单元

SS默认高电平，拉低表示对应从机被选中，在接下来数据交换过程一直低电平，最后要结束交换就置高电平。

模式０

CPOL 是时钟极性，CPHA 是时钟相位。每个都有两种状态，组合起来一共四种模式，模式０最常用，因为上升沿采样是同步数字电路（如D触发器）更高效的操作，电路设计更简单。

CPOL＝０即空闲时，时钟线SCK为低电平。CPHA＝０即SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据，但是要移入数据肯定要先移出数据产生空位，所以模式０中在SCK第一个边沿之前就已经移出数据了，并且几乎是在SS下降沿的时候移出的。之后进行数据交换，交换一个字节之后如果要结束就拉高SS，从机的MISO就回到高阻态，主机的MISO浮空状态或者高电平；

如果要交换多个字节，SS继续保持低电平，其余三根线重复交换字节的过程。

模式１

模式１下SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据。

模式２

模式２下SCK空闲高电平。

模式３

指令

SPI使用的是发送指令＋数据的方式，主机第一个字节向从机发送指令，从机内部也有一个指令集，指令内容由从机厂商规定。以存储芯片W25Q64为例，指令0x06表示写使能，从机收到数据就会控制内部使能。写使能就是单独的一个字节，后面不需要跟别的数据。这里主机不需要接收，从机就发的0xff。

又比如写指令 ，后面要跟上写的地址和内容，所以主机发送指令0x02之后要继续发送地址和内容。W25Q64芯片容量是8M字节，需要23个二进制位才能分配地址，多留一位备用就是24位，所以W25Q64一个地址由三个字节组成。

发送写指令后跟着发送三个字节的地址，比如地址0x123456，就先发0x12，然后发0x34，最后0x56。最后再发生写入的数据。这里主机也不需要接收数据，从机就发送的0xff。

SPI和I2C一样有地址指针，在对应地址读/写一次之后就会指向下一个地址操作了。

又比如读指令，主机发送读指令0X03后要跟着发送地址，然后从机发送数据。主机发送读指令和地址的时候不需要接收数据，从机就发送的0xff,之后主机需要接收数据了从机才开始发送指定地址下的数据，主机这时候就不需要发送数据了，主机就发送的0xff。

W25Q64操作Flash

Flash因为要实现掉电不丢失 ，所以在读写操作上和RAM有所不同，比如数据0不能改写为数据1，对于这个限制，需要先在写入之前进行擦除。但擦除也有限制，无法单独擦除某一个字节，一次最少要擦除一片扇区，即4096个字节。

连续写入多个字节时也有限制，写入的数据会先存入页缓存 中，因为它跟得上外部写入数据的速度，如果直接写入闪存的话速度跟不上。页缓存容量只有256字节，所以一次写入最多只能写入256字节，多了会覆盖。

等写入完成之后，芯片才会将数据转入Flash，这个过程属于忙状态 ，状态寄存器标志位BUSY 会置1，结束前不会响应新读写操作。除了写入数据 ，还有擦除，发送擦除指令后会进行擦除，这期间也会置BUSY，不会响应，还有写状态寄存器指令 。只会响应读状态寄存器和擦除挂起指令。忙状态结束后BUSY会置0。

状态寄存器中还有标志位WEL ，写使能锁存。发送写使能指令后WEL会置1，可以写入；发送写失能指令以及写入数据和擦除后WEL会置0，即不能写入了。这表明在每一次写入操作之前都要发送一次写使能指令，一次写使能指令只能保证后面一条写指令可以执行。

软件SPI读写W25Q64代码

MYSPI.c文件

cs 复制代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void MYSPI_W_SS(uint8_t bitvalue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)bitvalue);//改变SS
}

void MYSPI_W_MOSI(uint8_t bitvalue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)bitvalue);//改变MOSI
}

void MYSPI_W_SCK(uint8_t bitvalue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)bitvalue);//改变SCK
}

uint8_t MYSPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);//读MISO
}

void MYSPI_init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitSturcture;
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;//SS,SCK,MOSI输出引脚为推挽输出
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitSturcture);
	
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;//MISO输入引脚是上拉输入
	GPIO_InitSturcture.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitSturcture);
	
	MYSPI_W_SS(1);//默认不选中从机
	MYSPI_W_SCK(0);//模式0
}

void MYSPI_start(void)//开始
{
	MYSPI_W_SS(0);
}

void MYSPI_stop(void)//结束
{
	MYSPI_W_SS(1);
}

uint8_t MYSPI_byte(uint8_t byte)//交换一个字节
{
	uint8_t i,recebyte=0x00;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		MYSPI_W_MOSI(byte&(0x80>>i));//各自移出一位
		MYSPI_W_SCK(1);//准备移入数据
		if(MYSPI_R_MISO()==1){recebyte|=(0x80>>i);}//接收的数据放入recebyte
		MYSPI_W_SCK(0);//再准备移出数据
	}
	return recebyte;
}

W25Q64.c文件

cs 复制代码

#include "stm32f10x.h" 
#include "MYSPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"
void W25Q64_init(void)
{
	MYSPI_init();
}

void W25Q64_READID(uint8_t *MID,uint16_t *DID)//读取ID
{
	MYSPI_start();//开始
	MYSPI_byte(W25Q64_JEDEC_ID);//发送读取ID指令，此时不需要接收数据，不处理返回值
	*MID=MYSPI_byte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//接收数据，从机会发三个字节，第一个字节是8位的MID,此时不需要发送数据，发一个0xff
	*DID=MYSPI_byte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//第二个字节是16位的DID的高八位
	*DID<<=8;//左移八位，低位补零
	*DID|=MYSPI_byte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//接收DID低八位，注意是与等于
	MYSPI_stop();//停止
}

void W25Q64_writeENABLE(void)//写使能指令
{
	MYSPI_start();
	MYSPI_byte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
	MYSPI_stop();
}

void W25Q64_WaitBusy(void)//读取状态寄存器1最低位BUSY位，看是否处于忙状态
{
	uint32_t timeout=100000;
	MYSPI_start();
	MYSPI_byte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);//发送读状态寄存器1指令
	while((MYSPI_byte(0xff)&0x01)==0x01)//读取从机发送的状态数据，取出最低位BUSY位，是1就还在忙
	{
		timeout--;
		if(timeout==0)
		{
			break;//设置超时退出
		}
	}
	MYSPI_stop();
}

void W25Q64_Pageprogram(uint32_t address,uint8_t *dataArray,uint16_t num)//页编程，即指定地址写
{
	uint16_t i;
	W25Q64_writeENABLE();//写使能
	MYSPI_start();
	MYSPI_byte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);//发送页编程指令
	MYSPI_byte(address>>16);//接下来发送地址，24位地址要发三个字节
	MYSPI_byte(address>>8);//只会取低八位
	MYSPI_byte(address);
	for(i=0;i<num;i++)
	{
		MYSPI_byte(dataArray[i]);//发送写入内容，直接定义数组，发送几个num填几个
	}
	MYSPI_stop();
	W25Q64_WaitBusy();//等待退出忙状态
}

void W25Q64_SectorErase(uint32_t address)//扇区擦除
{
	W25Q64_writeENABLE();//写使能
	MYSPI_start();
	MYSPI_byte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);//发送扇区擦除指令
	MYSPI_byte(address>>16);//发送扇区地址，24位地址要发三个字节
	MYSPI_byte(address>>8);
	MYSPI_byte(address);
	MYSPI_stop();
	W25Q64_WaitBusy();//等待退出忙状态
}

void W25Q64_readdata(uint32_t address,uint8_t *dataArray,uint32_t num)//读取数据
{
	uint16_t i;
	MYSPI_start();
	MYSPI_byte(W25Q64_READ_DATA);//发送读取数据指令
	MYSPI_byte(address>>16);//发送读取地址，24位地址要发三个字节
	MYSPI_byte(address>>8);
	MYSPI_byte(address);
	for(i=0;i<num;i++)
	{
		dataArray[i]=MYSPI_byte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//读取数据，数据放入数组，读取几个num填几个
	}
	MYSPI_stop();
}

main.c文件

cs 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 ArraySend[]={0x01,0x02,0x03,0x08};
uint8_t ArrayReceive[4];

int main()
{
	OLED_Init();
	W25Q64_init();
	W25Q64_READID(&MID,&DID);
	OLED_ShowHexNum(1,1,MID,2);
	OLED_ShowHexNum(1,8,DID,4);
	OLED_ShowString(2,1,"send:");
	OLED_ShowString(3,1,"rece:");
	W25Q64_SectorErase(0x000000);//写入之前先擦除扇区
	 W25Q64_Pageprogram(0x000000,ArraySend,4);
	 W25Q64_readdata(0x000000,ArrayReceive,4);
	OLED_ShowHexNum(2,6,ArraySend[0],2);
	OLED_ShowHexNum(2,9,ArraySend[1],2);
	OLED_ShowHexNum(2,12,ArraySend[2],2);
	OLED_ShowHexNum(2,15,ArraySend[3],2);
	
	OLED_ShowHexNum(3,6,ArrayReceive[0],2);
	OLED_ShowHexNum(3,9,ArrayReceive[1],2);
	OLED_ShowHexNum(3,12,ArrayReceive[2],2);
	OLED_ShowHexNum(3,15,ArrayReceive[3],2);
 while(1)
 {
	
 }
}

指令集.h文件

cs 复制代码

#ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H				//存放芯片指令集

#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