SPI通信原理---STM32F4--HAL

SPI接口原理

SPI是一种高速全双工同步通信，在芯片管脚上占用四根线，主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

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SPI接口使用4根线通信。

  • MISO：主设备数据输入，从设备数据输出
  • MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入
  • SCLK：时钟信号，由主设备产生
  • CS：片选信号，由主设备控制
工作原理
  1. 主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向他的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输
  2. 串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机
  3. 外设的写操作和读操作都是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节，反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输
时钟信号的相位

SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系，如果CPOL位为0，SCK引脚在空闲状态保持低电平，如果CPOL=1 ，SCK引脚在空闲状态下保持高电平。
如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样

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数据帧格式

根据SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，输出数据时可以MSB优先，也可以LSB优先
根据SPI_CR1寄存器的DFF位，每个数据帧可以是8位或是16位

程序配置过程

我们使用SPI和w25Q256通信，硬件连接为
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  1. 使能SPIx和IO时钟
  2. 初始化IO口复用映射
  3. 初始化SIPx，设置SPIx工作模式
  4. 使能SPIx
  5. SPI数据传输

具体代码实现

SPI_HandleTypeDef SPI5_Handler;  //SPI句柄//以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式 						  
//SPI口初始化
//这里针是对SPI5的初始化
void SPI5_Init(void)
{SPI5_Handler.Instance=SPI5;                         //SP5SPI5_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER;             //设置SPI工作模式，设置为主模式SPI5_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES;   //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线模式SPI5_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT;       //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构SPI5_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH;    //串行同步时钟的空闲状态为高电平SPI5_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE;         //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样SPI5_Handler.Init.NSS=SPI_NSS_SOFT;                 //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制SPI5_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256SPI5_Handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB;        //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始SPI5_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE;        //关闭TI模式SPI5_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验SPI5_Handler.Init.CRCPolynomial=7;                  //CRC值计算的多项式HAL_SPI_Init(&SPI5_Handler);//初始化__HAL_SPI_ENABLE(&SPI5_Handler);                    //使能SPI5SPI5_ReadWriteByte(0Xff);                           //启动传输
}//SPI5底层驱动，时钟使能，引脚配置
//此函数会被HAL_SPI_Init()调用
//hspi:SPI句柄
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();       //使能GPIOF时钟__HAL_RCC_SPI5_CLK_ENABLE();        //使能SPI5时钟//PF7,8,9GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;              //复用推挽输出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;                  //上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST;             //快速            GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF5_SPI5;           //复用为SPI5HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);
}

先使用HAL_SPI_Init函数对SPI进行初始化，注意我们只初始化PF7、PF8、PF9，也就是SPI的SCK线，MISO线和MOSI线，CS线还没有初始化，HAL_SPI_MspInit是HAL_SPI_Init的回调函数，我们在这里初始化GPIO以及使能。上面的代码完成了第1到4步。接下来我们就可以进行数据传输了。

W25Q256

W25Q256是容量为32M字节的串行Flash芯片，它将32M的容量分为512块（Block），每个块大小为64K字节，每个块又分为16个扇区(sector)，每个扇区4K字节，W25Q256最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除4K个字节。
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W25QXX_Write函数思路
  1. 根据要写的起始地址，确定要写的起始区域Sector号以及在起始sector中的偏移量
  2. 根据要写的起始地址和字节数，确定要写的数据是否跨sector
  3. 确定好要操作的sector以及sector的地址范围
  4. 对每一个sector，先遍历要写的地址区域保存的数据是不是0xFF。如果都是，就不用擦除，如果有不是0xff的区域，先读出里面的数据，保存在缓存buffer中，然后擦除里面的数据，把这个sector要操作的数据，写到缓存，最后一次性把缓存buffer写到这个对应的sector中

具体代码实现

//写SPI FLASH  
//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)						
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)   
u8 W25QXX_BUFFER[4096];		 
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ u32 secpos;u16 secoff;u16 secremain;	   u16 i;    u8 * W25QXX_BUF;	  W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;	     secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节while(1) {	W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  }if(i<secremain)//需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区for(i=0;i<secremain;i++)	   //复制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  }W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  }else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. 				   if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了else//写入未结束{secpos++;//扇区地址增1secoff=0;//偏移位置为0 	 pBuffer+=secremain;  //指针偏移WriteAddr+=secremain;//写地址偏移	   NumByteToWrite-=secremain;				//字节数递减if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一个扇区还是写不完else secremain=NumByteToWrite;			//下一个扇区可以写完了}	 };	 
}
  1. 根据要写的起始地址，确定要写的起始区域Sector号以及在起始sector中的偏移量
	secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移

每个扇区的大小是4K字节，也就是4094，除以4096就得到扇区的地址，模4096就得到在扇区里面开始写的地址。

  1. 根据要写的起始地址和字节数，确定要写的数据是否跨扇区
secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节

secremain是扇区剩余空间大小，NumByteToWrite是要写入的字节数，如果NumByteToWrite<=secremain就不需要跨扇区。所以在后面有：

if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了

不需要跨扇区，写入结束，否则的话，就需要跨扇区，扇区号要加1，扇区偏移地址为0

secpos++;//扇区地址增1
secoff=0;//偏移位置为0
  1. 对每一个sector，先遍历要写的地址区域保存的数据是不是0xFF。如果都是，就不用擦除，如果有不是0xff的区域，先读出里面的数据，保存在缓存buffer中，然后擦除里面的数据，把这个sector要操作的数据，写到缓存，最后一次性把缓存buffer写到这个对应的sector中
		W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  }if(i<secremain)//需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区for(i=0;i<secremain;i++)	   //复制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  }W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  }

W25QXX_Read先保存扇区数据到W25QXX_BUF中，然后遍历剩余扇区数据有无不等于0xFF的，如果有，则调用W25QXX_Erase_Sector擦除整个扇区，然后将要写的数据线写到W25QXX_BUF中，最后一次性把W25QXX_BUF缓冲写到扇区中。

如果需要跨扇区写数据

else//写入未结束{secpos++;//扇区地址增1secoff=0;//偏移位置为0 	 pBuffer+=secremain;  //指针偏移WriteAddr+=secremain;//写地址偏移	   NumByteToWrite-=secremain;				//字节数递减if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一个扇区还是写不完else secremain=NumByteToWrite;			//下一个扇区可以写完了}

while会一直循环，直到写入结束了

if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了

W25QXX_Write就是在指定地址连续写入NumByteToWrite个字节数据

读取FLASH数据
//读取SPI FLASH  
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ u16 i;   										    W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI5_ReadWriteByte(W25X_ReadData);      //发送读取命令  if(W25QXX_TYPE==W25Q256)                //如果是W25Q256的话地址为4字节的，要发送最高8位{SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>24));    }SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));   //发送24bit地址    SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   SPI5_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   for(i=0;i<NumByteToRead;i++){ pBuffer[i]=SPI5_ReadWriteByte(0XFF);    //循环读数  }W25QXX_CS=1;  				    	      
}

W25QXX_Read从ReadAddr地址连续读取NumByteToRead个字节数据

main函数

我们写入数据到FALSH中，然后读取出来在LCD上显示

//要写入到W25Q16的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"Apollo STM32F4 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)	 int main(void)
{u8 key;u16 i=0;u8 datatemp[SIZE];u32 FLASH_SIZE;HAL_Init();                     //初始化HAL库   Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //设置时钟,180Mhzdelay_init(180);                //初始化延时函数uart_init(115200);              //初始化USARTLED_Init();                     //初始化LED KEY_Init();                     //初始化按键SDRAM_Init();                   //初始化SDRAMLCD_Init();                     //初始化LCDW25QXX_Init();				    //W25QXX初始化POINT_COLOR=RED;LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Apollo STM32F4/F7"); LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"SPI TEST");	LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2016/1/16");	 		LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY1:Write  KEY0:Read");	//显示提示信息		while(W25QXX_ReadID()!=W25Q256)								//检测不到W25Q256{LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q256 Check Failed!");delay_ms(500);LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check!        ");delay_ms(500);LED0=!LED0;		//DS0闪烁}LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q256 Ready!"); FLASH_SIZE=32*1024*1024;	//FLASH 大小为32M字节POINT_COLOR=BLUE;			//设置字体为蓝色	  while(1){key=KEY_Scan(0);if(key==KEY1_PRES)//KEY1按下,写入W25Q128{LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏    LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write W25Q256....");W25QXX_Write((u8*)TEXT_Buffer,FLASH_SIZE-100,SIZE);		//从倒数第100个地址处开始,写入SIZE长度的数据LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"W25Q256 Write Finished!");	//提示传送完成}if(key==KEY0_PRES)//KEY0按下,读取字符串并显示{LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read W25Q256.... ");W25QXX_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);					//从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is:   ");	//提示传送完成LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);					//显示读到的字符串} i++;delay_ms(10);if(i==20){LED0=!LED0;//提示系统正在运行	i=0;}		   }		    
}

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