STM32之SPI读写W25Q128芯片

SPI简介

STM32的SPI是一个串行外设接口。它允许STM32微控制器与其他设备（如传感器、存储器等）进行高速、全双工、同步的串行通信。通常包含SCLK（串行时钟）、MOSI（主设备输出/从设备输入Master Output Slave Input）、MISO（主设备输入/从设备输出Master Input Slave Output）和NSS/CS（片选信号Chip Select）这4条线，支持多个从设备连接到一个主设备上。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，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。

2. SPI使用步骤

我们将利用 STM32 的 SPI 来读取外部 SPI FLASH 芯片（W25Q128）为例，学习SPI。

2.1 SPI时钟SCLK

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面。

时钟速率

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。

CKP可以配置为1或0，这意味着可根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平0；

CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1。

时钟相位

根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；

CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

2.2四种操作根据

SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4种不同的SPI通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低），详情如下所示：

Mode0：CKP=0，CKE=0：当空闲态时，SCK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿（准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。

Mode1：CKP=0，CKE=1：当空闲态时，SCK处于低电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode2：CKP=1，CKE=0：当空闲态时，SCK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode3：CKP=1，CKE=1：当空闲态时，SCK处于高电平，数据发送是在第2个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

图中黑线为采样数据的时刻，蓝线为SCK时钟信号。

举个例子，下图是SPI Mode0读/写时序，可以看出SCK空闲状态为低电平，主机输出数据在第一个跳变沿被从机采样，主机输入数据同理。

3.STM32相关的SPI

STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F103型号的芯片默认fpclk1为36MHz， fpclk2为72MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

3.1时钟控制逻辑

时钟由寄存器控制。SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率，计算方法见表 BR位对fpclk的分频。

其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率， APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。

通过配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。

实际应用中，我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

3.2通讯过程

STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。主发送器通讯过程中的是“主模式”流程，即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。

3.3从代码层面理解SPI

我们将利用 STM32 的 SPI 来读取外部 SPI FLASH 芯片（W25Q128），实现类似IIC的功能。

使能 SPI2 的时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB 时钟使能

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );//SPI2 时钟使能

GPIOB端口挂在STM32的APB2时钟线上。SPI2是挂在STM32的APB1时钟线上。

配置相关引脚的复用功能

这里使用 PB13、14、15 这 3 个（SCK.、MISO、MOSI，CS 使用软件管理方式），所以设置这三个为复用 IO。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //PB13/14/15 复用推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIOB

SPI2的引脚在PB上，可以参考W25Q128硬件连接图。

初始化 SPI2, 设置 SPI2 工作模式

库函数中是通过 SPI_Init 函数来实现。

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct)；

SPI_InitTypeDef 的定义：

typedef struct

{

uint16_t SPI_Direction;

uint16_t SPI_Mode;

uint16_t SPI_DataSize;

uint16_t SPI_CPOL;

uint16_t SPI_CPHA;

uint16_t SPI_NSS;

uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;

uint16_t SPI_FirstBit;

uint16_t SPI_CRCPolynomial;

}SPI_InitTypeDef;

SPI_BaudRatePrescaler设置 SPI 波特率预分频值决定 SPI 的时钟的参数，从不分频道 256 分频 8 个可选值

SPI_BaudRatePrescaler_256 //256 分频值

传输速度为 72M/256=281.25KHz。

初始化代码：

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //双线双向全双工

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //主 SPI

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // SPI 发送接收 8 位帧结构

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//串行同步时钟的空闲状态为高电平

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//第二个跳变沿数据被采样

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS 信号由软件控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //预分频 256

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //数据传输从 MSB 位开始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC 值计算的多项式

SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 SPIx 寄存器

使能SPI2

SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能 SPI 外设

SPI2_ReadWriteByte(0xff); //④启动传输，主机发一个字节，进行一次传输，可以启动传输

SPI传输数据

发送数据函数

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data)；

接收数据函数

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ；

查看 SPI 传输状态函数

判断数据是否传输完成，发送区是否为空
判断接收是否完成，接收区是否空

接收

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE)；

发送

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE)

设置SPI2速度函数

单独的设置分频系数的函数

//SPI 速度设置函数

//SpeedSet://SPI_BaudRatePrescaler_256 256 分频 (SPI 281.25K@sys 72M)

void SPI2_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)

{

assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));

SPI2->CR1&=0XFFC7;

SPI2->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置 SPI2 速度

SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);

}

读写一个字节

u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData)

{

u8 retry=0;

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //等待发送区空

{

retry++;//重试

if(retry>200)return 0;

} //读取两百次还没有值，说明无效，返回

SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通过外设 SPIx 发送一个数据

retry=0;

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //等待接收完一个 byte

{

retry++;

if(retry>200)return 0;

}

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通过 SPIx 最近接收的数据

}

W25Q128

• W25Q128 是华邦公司推出的大容量 SPI FLASH 产品，W25Q128 的容量为 128Mb，该系列还有 W25Q80/16/32/64等。

擦除

W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。
这样要求芯片必须有 4K 以上 SRAM 才能很好的操作。

W25QXX驱动解读

W25QXX.h

W25QXX_CS片选，值0选定，1取消

初始化SPI

读取状态寄存器

写状态寄存器

擦除一个扇区

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;

SPI_FLASH_CS=0; //使能器件

SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令

SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送 24bit 地址

SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));

SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);

for(i=0;i<NumByteToRead;i++)

{

pBuffer[i]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数

}

SPI_FLASH_CS=1;

}

无检查写函数

//在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!

//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)

//CHECK OK

void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)

{

u16 pageremain;

pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数

if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节，这也是结束标识

while(1)

{

W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);

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

else //NumByteToWrite>pageremain

{

pBuffer+=pageremain;

WriteAddr+=pageremain;

NumByteToWrite-=pageremain; //减去已经写入了的字节数

if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节

else pageremain=NumByteToWrite; //不够256个字节了

}

//按照页剩余写一次，然后256个字节的写，然后写最后一页多出来的。

};

}

NoCheck是说可以跨扇区的写
下方表示写了一个扇区

W25QXX_Write函数

作用与 W25QXX_Flash_Read 的作用类似，不过是用来写数据到 W25Q128 里面的，其代码如下：

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，每个扇区是4096，所以除以4096得到的整数就是扇区的地址标号

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

//secpos*4096是该扇区的起始地址

for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据

{

if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除，偏移地址内有数据

//擦除后的默认值是0xFFF

}

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);

//如果扇区剩余空间足够，直接写入扇区剩余区间.

//是否需要写入下一个扇区

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

else//写入未结束

{

secpos++;//扇区地址增 1

secoff=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

}

};

}

//跟无检查页写入的逻辑一致。

该函数可以在 W25Q128 的任意地址开始写入任意长度（必须不超过 W25Q128 的容量）的数据。

先获得首地址（WriteAddr）所在的扇区，并计算在扇区内的偏移，然后判断要写入的数据长度是否超过本扇区所剩下的长度，如果不超过，再先看看是否要擦除，如果不要，则直接写入数据即可，如果要则读出整个扇区，在偏移处开始写入指定长度的数据，然后擦除这个扇区，再一次性写入。

擦除的最小单位是扇区，也就是4K。所以在擦除之前我们先将这个扇区的数据读取出来，保存在缓存区。在缓存中将对应的地址更新之后，一次性将数据写到对应的sector之中。

当所需要写入的数据长度超过一个扇区的长度的时候，我们先按照前面的步骤把扇区剩余部分写完，再在新扇区内执行同样的操作，如此循环，直到写入结束。

我理解，整个STM32读写W25Q128是不断封装SPI_I2S_SendData和ReadData的一个过程，先封装到读写一个字节ReadWriteByte，再封装到读写一个扇区W25QXX_Write_NoCheck，W25QXX_Write。整个过程比较标准，无需太多改动。

4.STM32之SPI实战

在实现STM32的SPI通讯之前，先做个小实验，实现USART串口通讯。因为调试STM32的SPI通讯可以把结果通过串口打印到电脑上显示，方便观察结果。

STM32CubeMX学习笔记（6）——USART串口使用_unused(huart)-CSDN博客

5.Keil调试代码

今天学了Keil的debug功能，刚开始程序卡在了HAL_INIT这里，这是个很奇怪的问题。CubeMx生成的代码段，什么都没有做就是无法调试。原来要在CubeMx里面勾选一个调试功能。

在KEIL中勾选Use-MicroLib库

因为调用了printf，这是一个C++里面的功能，需要重映射。代码如下。

新建一个retarget.c文件。

#include "stdio.h"

#include "stm32f1xx_hal.h"

#include "usart.h"

#pragma import(__use_no_semihosting_swi)

#pragma import(__use_no_semihosting)

void _sys_exit(int x) {

x = x;

}

struct __FILE {

int handle;

/* Whatever you require here. If the only file you are using is */

/* standard output using printf() for debugging, no file handling */

/* is required. */

};

/* FILE is typedef’ d in stdio.h. */

FILE __stdout;

void _ttywrch(int ch){};

int fputc(int ch, FILE *f)

{

HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);

return ch;

}

这段代码也是调了好久，网站上的或多或少不太对。

有了上面的代码，main函数就可以调用printf函数，打印到串口显示出来。

Stm32 debug停留在"BKPT 0xAB"或者"SWI 0xAB"的解决办法。

通过百度网盘分享的文件：SPI
链接：https://pan.baidu.com/s/1qzSFFV8-Vhrb0NzqbBAeCg?pwd=sshc
提取码：sshc