W25Q64CV SPI Flash Memory

SPI简介

SPI是一种同步串行通信接口规范，用于短距离通信，主要应用于嵌入式系统。SPI通信由一个主设备和一个或多个从设备组成，其中主设备生成时钟信号并控制通信的开始和结束。

SPI通信的基本组成

四个基本信号

SCK (Serial Clock) - 时钟信号，由主设备产生。
MOSI (Master Out Slave In) - 主设备输出，从设备输入的数据线。
MISO (Master In Slave Out) - 主设备输入，从设备输出的数据线。
CS (Chip Select) - 芯片选择信号，用于激活特定的从设备。

SPI操作模式

SPI有四种操作模式，由主设备产生的时钟信号的相位和极性决定：
模式0：CPOL = 0，CPHA = 0
模式1：CPOL = 0，CPHA = 1
模式2：CPOL = 1，CPHA = 0
模式3：CPOL = 1，CPHA = 1
其中，CPOL代表时钟的极性，CPHA代表时钟的相位。不同的模式会影响数据采样和设置的时间点。
1.Mode 0 (CPOL = 0, CPHA = 0)
时钟极性（CPOL）：时钟信号的空闲状态为低电平。
时钟相位（CPHA）：数据在时钟的上升沿被采样，并在下降沿改变。
特点：这是最常见的SPI模式。数据在第一个时钟脉冲的上升沿读取，之后每个时钟周期的上升沿都会读取新数据。
2. Mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1)
时钟极性（CPOL）：时钟信号的空闲状态为低电平。
时钟相位（CPHA）：数据在时钟的下降沿被采样，并在上升沿改变。
特点：与Mode 0相比，数据采样发生在时钟的下降沿。
3. Mode 2 (CPOL = 1, CPHA = 0)
时钟极性（CPOL）：时钟信号的空闲状态为高电平。
时钟相位（CPHA）：数据在时钟的上升沿被采样，并在下降沿改变。
特点：与Mode 0相比，时钟的空闲状态为高电平。
4. Mode 3 (CPOL = 1, CPHA = 1)
时钟极性（CPOL）：时钟信号的空闲状态为高电平。
时钟相位（CPHA）：数据在时钟的下降沿被采样，并在上升沿改变。
特点：这种模式下，时钟的空闲状态为高电平，数据采样在时钟的下降沿。

通信过程

初始化：主设备通过拉低CS信号来选择特定的从设备。
数据传输：主设备通过MOSI发送数据，并在同一时钟周期内通过MISO接收从设备的数据。
时钟同步：数据在时钟的上升沿或下降沿被采样，这取决于SPI的工作模式。

W25Q64简介

W25Q64CV是一款高性能SPI闪存芯片，具备64M位（8M字节）的存储容量，用于需要高速数据存储和读取的嵌入式系统。操作电压为2.7V至3.6V，提供工业级（-40°C至+85°C）和汽车级（-40°C至+105°C）的温度规格，具备软件和硬件写保护功能，支持安全启动和数据保护。

引脚

在这里插入图片描述
/CS: 芯片选择输入，用于激活或禁用设备
DO (IO1): 主设备输出，从设备输入的串行数据线
/WP (IO2): 写保护输入，可配置为输入/输出2
GND: 地
VCC: 电源
/HOLD (IO3): 保持输入，可配置为输入/输出3。允许系统在Flash设备正在被选中（即/CS为低电平）时，挂起或暂停当前正在进行的操作。当/HOLD引脚被释放（即拉高回到高电平）时，设备可以从之前挂起的地方恢复操作，无需重新开始整个操作流程
DI (IO0): 主设备输出，从设备输入的串行数据线
CLK: 串行时钟输入，控制数据传输的时序

存储

提供8M字节的存储空间，适用于存储大量数据和程序代码，存储阵列被组织成32,768个可编程页，每页256字节。页可以以16（4KB扇区擦除）、128（32KB块擦除）、256（64KB块擦除）或整个芯片（芯片擦除）的组进行擦除

SPI

支持SPI模式0和模式3，支持标准SPI、双SPI和四SPI操作，时钟频率高达80MHz，实现快速数据传输

指令

在这里插入图片描述

主要指令分类

制造商和设备识别指令：
用于读取制造商ID和设备ID，帮助用户确认连接的设备。
读指令：
包括普通读取（Read Data）、快速读取（Fast Read）、快速双输出读取（Fast Read Dual Output）等，用于从Flash中读取数据。
写指令：
包括页编程（Page Program）和四页编程（Quad Page Program），用于向Flash写入数据。
擦除指令：
包括扇区擦除（Sector Erase）、32KB块擦除（32KB Block Erase）、64KB块擦除（64KB Block Erase）和芯片擦除（Chip Erase），用于清除Flash中的存储空间。
状态寄存器指令：
包括读取状态寄存器（Read Status Register）和写状态寄存器（Write Status Register），用于监控和配置设备的状态。
安全和保护指令：
包括擦除安全寄存器（Erase Security Registers）和编程安全寄存器（Program Security Registers），用于管理设备的安全性。
特殊功能指令：
如设置突发（Set Burst with Wrap）、连续读取模式位（Continuous Read Mode Bits）、电源下降（Power-down）等。

指令执行流程

选中设备：通过拉低CS（Chip Select）引脚，选中目标Flash设备。
发送指令：通过DI（Data Input）或IO0（Data Input 0）引脚发送指令的操作码。
提供地址（如需要）：某些指令，如读取、写入或擦除操作，需要用户提供24位的地址信息。
数据传输：根据指令的功能，进行数据的读取或写入。
等待完成：某些操作如擦除或编程可能需要一定的时间来完成，此时可以通过检查状态寄存器中的BUSY位来确定操作是否完成。
取消选中：操作完成后，通过拉高CS引脚取消选中设备

擦除

在闪存设备，包括W25Q64CV这样的SPI Flash Memory中，写入操作之前需要进行擦除，因为闪存是一种非易失性存储器，它使用浮栅晶体管来存储数据。每个浮栅晶体管可以表示两种状态：擦除状态和编程状态。擦除状态：在擦除状态下，浮栅中几乎没有电荷，晶体管的阈值电压较高，因此在读取操作时，晶体管不导电，表示数据"1"。编程状态：在编程状态下，浮栅捕获了电荷，降低了晶体管的阈值电压，使得在读取操作时晶体管导电，表示数据"0"。由于浮栅晶体管的设计，它们不能从"0"状态直接改为"1"状态，而是需要先擦除回到"1"状态，然后再编程为"0"。

擦除步骤

初始化：确保SPI接口已正确配置，并且W25Q64CV已选中。
写使能：发送06h指令以使能写操作。
执行擦除指令：根据需要执行扇区擦除、块擦除或芯片擦除的指令。
等待完成：擦除操作需要一定的时间来完成。可以通过检查状态寄存器中的BUSY位来确定擦除是否完成。

// 假设已经有了SPI通信的基础函数库：spi_begin(), spi_end(), spi_write(), spi_read()
// 以及控制CS引脚的函数：cs_select() 和 cs_deselect()// 擦除操作前的写使能函数
void spi_write_enable(void) {cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0x06); // 发送写使能指令cs_deselect(); // 取消选中设备
}// 扇区擦除函数
void spi_sector_erase(uint32_t address) {spi_write_enable(); // 使能写操作cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0x20); // 发送扇区擦除指令spi_write((address >> 16) & 0xFF); // 发送地址的高8位spi_write((address >> 8) & 0xFF);  // 发送地址的中8位spi_write(address & 0xFF);         // 发送地址的低8位cs_deselect(); // 取消选中设备spi_wait_until_ready(); // 等待擦除完成
}// 32KB块擦除函数
void spi_32kb_block_erase(uint32_t address) {spi_write_enable(); // 使能写操作cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0x52); // 发送32KB块擦除指令spi_write((address >> 16) & 0xFF); // 发送地址的高8位spi_write((address >> 8) & 0xFF);  // 发送地址的中8位spi_write(address & 0xFF);         // 发送地址的低8位cs_deselect(); // 取消选中设备spi_wait_until_ready(); // 等待擦除完成
}// 64KB块擦除函数
void spi_64kb_block_erase(uint32_t address) {spi_write_enable(); // 使能写操作cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0xD8); // 发送64KB块擦除指令spi_write((address >> 16) & 0xFF); // 发送地址的高8位spi_write((address >> 8) & 0xFF);  // 发送地址的中8位spi_write(address & 0xFF);         // 发送地址的低8位cs_deselect(); // 取消选中设备spi_wait_until_ready(); // 等待擦除完成
}// 芯片擦除函数
void spi_chip_erase(void) {spi_write_enable(); // 使能写操作cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0xC7); // 发送芯片擦除指令cs_deselect(); // 取消选中设备spi_wait_until_ready(); // 等待擦除完成
}// 等待设备准备就绪的函数
void spi_wait_until_ready(void) {// 这里应实现等待就绪的逻辑，可能通过检查状态寄存器的BUSY位// 例如：uint8_t status;do {cs_select();spi_write(0x05); // 发送读取状态寄存器1的指令status = spi_read(0xFF); // 读取状态寄存器1cs_deselect();} while ((status & 0x01) != 0); // 等待BUSY位清零
}

读写

写入步骤

写使能

选中设备：通过拉低CS（Chip Select）引脚，选中Flash设备
发送写使能指令：通过DI（Data Input）引脚发送06h指令码，使能写操作

页编程 (Page Program)

发送页编程指令：通过DI引脚发送02h指令码
提供地址：发送24位地址信息，指向要编程的起始位置
发送数据：顺序发送要写入的数据。W25Q64CV支持的数据长度从1字节到256字节
等待完成：等待编程操作完成。这可以通过轮询状态寄存器中的BUSY位来实现

// 检查设备是否忙碌的函数
uint8_t spi_check_busy(void) {uint8_t status;cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0x05); // 发送读取状态寄存器1的指令status = spi_read(0xFF); // 读取状态寄存器1cs_deselect(); // 取消选中设备return status;
}// 等待编程完成的函数
void spi_wait_until_ready(void) {while (spi_check_busy() & 0x01); // 检查BUSY位，如果为1则等待
}// 完整的编程函数，包括等待编程完成
void spi_flash_page_program(uint32_t address, const uint8_t *data, uint16_t dataSize) {cs_select(); // 选中Flash设备spi_write(0x06); // 发送写使能指令cs_deselect(); // 取消选中设备cs_select(); // 重新选中设备spi_write(0x02); // 发送页编程指令spi_write((address >> 16) & 0xFF); // 发送地址的高8位spi_write((address >> 8) & 0xFF);  // 发送地址的中8位spi_write(address & 0xFF);         // 发送地址的低8位for (int i = 0; i < dataSize; ++i) {spi_write(data[i]); // 发送数据}cs_deselect(); // 取消选中设备spi_wait_until_ready(); // 等待编程完成
}

读取步骤

选中设备：拉低CS引脚
发送读取数据指令：通过DI引脚发送03h指令码
提供地址：发送24位地址信息，指向要读取的起始位置
读取数据：数据将通过DO（Data Output）引脚顺序输出

void readData(uint32_t address, uint8_t *buffer, uint16_t dataSize) {cs_select();spi_write(0x03); // 发送读取数据指令spi_write(address >> 16); // 发送高8位地址spi_write(address >> 8);  // 发送中8位地址spi_write(address);       // 发送低8位地址for (int i = 0; i < dataSize; ++i) {buffer[i] = spi_read(0xFF); // 读取数据}cs_deselect();
}