【STM32】SPI通信協議W25Q64Flash存儲器芯片（學習筆記）

通信接口部分有介紹SPI：【STM32】USART串口協議&串口外設-學習筆記-CSDN博客?

SPI通信協議

SPI通信

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司開發的一種通用數據總線
四根通信線：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
同步，全雙工
支持總線掛載多設備（一主多從）

I2C通信和SPI通信區別：?

I2C 通信優點：使用兩根線（SCL 時鐘線和 SDA 數據線），半雙工通信，布線簡單，占用引腳少，支持多主機多從機模式，具備總線仲裁機制，適用于近距離低速設備間通信。缺點：數據傳輸速率相對較低，一般標準模式下為 100kbps，快速模式下為 400kbps，高速模式下為 3.4Mbps? ，每次通信需要發送起始、停止信號和應答信號，開銷較大，通信效率不高。

SPI 通信優點：數據傳輸速率高，可達幾十 Mbps ，適合高速數據傳輸場景，全雙工通信，主機和從機可同時發送和接收數據，操作簡單，只需 4 根線（SCK 時鐘線、MOSI 主機輸出從機輸入線、MISO 主機輸入從機輸出線、SS 從機選擇線）。缺點：布線復雜，占用引腳較多，只支持單主機多從機模式，沒有總線仲裁機制，若多個主機同時試圖控制總線，可能導致數據沖突，不適用于多主機環境。?

硬件電路?

所有SPI設備的SCK、MOSI、MISO分別連在一起
主機另外引出多條SS控制線，分別接到各從機的SS引腳
輸出引腳配置為推挽輸出，輸入引腳配置為浮空或上拉輸入?

推挽輸出：高低電平均有很強的驅動能力，這將使得SPI的下降沿和上升沿都非常的迅速。得益于推挽輸出的強驅動能力，SPI信號變化快，自然就能達到更高的傳輸速度?。

SPI 沖突點：就是MISO引腳，主機一個輸入，三個從機全是輸出，如果三個從機都是推挽輸出，肯定會產生沖突，所以SPI協議有規定，當SS從機引腳為高電平，就是未被選中時，它的MISO引腳必須切換為高阻態，高阻態就是引腳斷開，不輸出任何電平。這樣就可以防止一條線有多個輸出而導致的沖突問題。當SS為低電平時，MISO才允許變為推挽輸出。?

移位示意圖?

SPI基本收發電路：?

?只想發送不想接收？

仍然調用交換字節的時序，發送同時接收，只是接收到的數據不看他就可以了。

?只想接收不想發送？

同理，仍然調用交換字節的時序，發送同時接收，只是我們會隨便發送有一個數據，來把從機的數據置換過來就可以。一般統一發0x00或者0xFF。

SPI的通信的基礎就是，交換一個字節，?有了交換一個一個字節，就可以實現發送一個字節，接收一個字節，發送并同時接收一個字節的三種功能。

?SPI時序基本單元

起始條件：SS從高電平切換到低電平
終止條件：SS從低電平切換到高電平?

?模式0用的最多，模式0和模式3都是上升沿采樣輸入；模式1和模式2都是下降沿采樣輸入；

?SPI時序

以本節使用的芯片W25Q64時序進行講解，SPI不像I2C規定那樣，有效數據流的第一個字節是寄存器地址之后依次是讀寫的數據，使用的是讀寫寄存器的模型，在SPI中通常使用的是指令碼加讀寫數據的模型，第一個交換發送給從機的數據叫指令碼。在SPI從機芯片手冊里，都會定義好指令集，什么指令對應什么功能，什么指令后面得跟上什么數據。

發送指令

向SS指定的設備，發送指令（0x06）在W25Q64芯片里0x06表示寫使能?

?模式0

整個時序的功能就是，發送指令，指令碼0x06，從機一比對定義好的指令集，發現是寫使能指令，那從機就控制硬件進行寫使能?。

指定地址寫

向SS指定的設備，發送寫指令（0x02）
隨后在指定地址（Address[23:0]）下，寫入指定數據（Data）

指定地址讀

向SS指定的設備，發送讀指令（0x03）

?隨后在指定地址（Address[23:0]）下，讀取從機數據（Data）

?W25Q64Flash存儲器芯片

?W25Q64簡介

W25Qxx系列是一種低成本、小型化、使用簡單的非易失性存儲器，常應用于數據存儲、字庫存儲、固件程序存儲等場景
存儲介質：Nor Flash（閃存）Nor Flash 是一種非易失性閃存存儲介質，在嵌入式系統等領域應用廣泛。
時鐘頻率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)
存儲容量（24位地址）：分三個字節?

基本參數

存儲容量：W25Q64 的存儲容量為 64Mb（兆比特），也就是 8MB（兆字節）。它被劃分為 128 個塊（Block），每個塊大小為 64KB；每個塊又由 16 個扇區（Sector）組成，每個扇區大小為 4KB。
工作電壓：其工作電壓范圍為 2.7V - 3.6V，這使得它能適配多種電源系統。不能直接接5V電壓。
通信接口：采用 SPI（Serial Peripheral Interface）通信接口，具有引腳少、通信速率高的特點，只需 SCK（時鐘線）、MOSI（主出從入數據線）、MISO（主入從出數據線）和 CS（片選線）這幾根線就能和主控芯片進行通信。

性能特點

讀寫速度快：最高時鐘頻率可達 80MHz，能實現快速的數據讀寫操作，提升系統的數據處理效率。
低功耗：在待機和掉電模式下功耗極低，適合對功耗有嚴格要求的應用場景，如電池供電的設備。
擦寫次數多：扇區擦除次數可達 10 萬次，數據保存時間長達 20 年，保證了數據的長期可靠性和穩定性。

應用場景

消費電子：像智能手機、平板電腦、數碼相機等設備，用于存儲系統固件、用戶數據、圖像和視頻等信息。
工業控制：在工業自動化設備、儀器儀表中，可存儲程序代碼、校準數據和運行記錄等。
汽車電子：應用于汽車的娛樂系統、儀表盤、導航系統等，存儲地圖數據、音頻文件和系統配置信息。

操作方式

對 W25Q64 進行操作，一般要先通過 SPI 接口發送對應的命令。例如，發送寫使能命令后，才能進行寫操作；擦除操作也需要先發送相應的擦除命令。而且，在進行寫操作前，通常要先對相應的扇區進行擦除。

拓展：Nor Flash 和 NAND Flash的區別

Nor Flash 和 NAND Flash 是兩種常見的閃存技術，它們在多個方面存在明顯區別：

存儲結構

Nor Flash：其存儲單元結構類似隨機存儲器（RAM），各個存儲單元是獨立的，能夠直接對單個存儲單元進行隨機訪問，這使得它具備字節級別的隨機讀寫能力。
NAND Flash：存儲單元以頁（Page）和塊（Block）的形式組織。數據的讀寫通常以頁為基本單位，頁的大小一般在幾百字節到幾 KB 不等；而擦除操作則以塊為單位，塊由多個頁組成。

讀寫性能

讀取速度：Nor Flash 的讀取速度較快，特別是隨機讀取性能出色，它可以像內存一樣直接執行代碼（XIP），適合頻繁隨機讀取少量數據的場景，如存儲程序代碼。NAND Flash 順序讀取速度也較快，但隨機讀取性能相對較差，不太適合隨機讀取小數據量的操作。
寫入和擦除速度：Nor Flash 的寫入和擦除速度較慢，尤其是擦除操作，需要較長時間，而且擦除次數有限。NAND Flash 的寫入和擦除速度相對較快，不過在寫入數據前也需要先進行塊擦除操作。

可靠性

位反轉：NAND Flash 更容易出現位反轉現象，即存儲的數據在沒有進行寫入操作的情況下，某些位的值發生了改變。這是由于 NAND Flash 的存儲密度高，相鄰存儲單元之間的干擾較大。因此，NAND Flash 通常需要使用糾錯碼（ECC）來檢測和糾正數據錯誤。Nor Flash 出現位反轉的概率相對較低。
擦寫次數：Nor Flash 的擦寫次數一般在 10 萬次左右，而 NAND Flash 根據不同的類型，擦寫次數有所差異，普通的 SLC（單電平單元）NAND Flash 擦寫次數可達 10 萬 - 100 萬次，MLC（多電平單元）和 TLC（三層單元）的擦寫次數相對較少。

成本

單位容量成本：NAND Flash 的制造成本較低，單位容量的價格相對 Nor Flash 更便宜，因此在大容量存儲應用中具有明顯的成本優勢。Nor Flash 由于制造工藝和結構的原因，成本較高，特別是大容量的 Nor Flash 價格更為昂貴。
系統成本：使用 Nor Flash 時，由于其可以直接執行代碼，不需要額外的內存來加載代碼，在一定程度上可以降低系統的整體成本。而使用 NAND Flash 時，通常需要額外的控制器和糾錯電路來保證數據的可靠性，這會增加系統的成本和復雜度。

應用場景

Nor Flash：主要用于存儲代碼和少量的關鍵數據，如嵌入式系統的啟動代碼、BIOS、汽車電子中的發動機控制單元程序等，適用于對隨機讀取性能和數據可靠性要求較高的場景。
NAND Flash：廣泛應用于大容量數據存儲領域，如固態硬盤（SSD）、USB 閃存驅動器、存儲卡、智能手機和平板電腦的內置存儲等，適合順序讀寫大量數據的場景。

常見的非易失性存儲器和易失性存儲器：?

非易失性存儲器

閃存（Flash Memory）：基于閃存芯片的存儲介質，如常見的 U 盤、固態硬盤（SSD）等。具有掉電后數據不丟失、可多次擦寫、體積小、重量輕、抗震性強等優點，廣泛應用于移動設備、計算機存儲等領域。
只讀存儲器（ROM）：通常用于存儲計算機系統的啟動程序、BIOS 等重要信息。在制造過程中就將數據固化在芯片中，只能讀取，不能寫入或修改，具有很高的穩定性和可靠性。
電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）：可以通過電信號進行擦除和編程的只讀存儲器。與閃存類似，但擦寫操作更加靈活，通常用于存儲一些需要頻繁修改但掉電后又需要保存的數據，如設備的配置信息等。不過，EEPROM 的擦寫次數有限，且寫入速度相對較慢。
鐵電存儲器（FRAM）：利用鐵電材料的極化特性來存儲數據。具有高速讀寫、低功耗、抗輻射等優點，且擦寫次數幾乎無限，但成本較高，容量相對較小，目前在一些特定領域，如航空航天、工業控制等有一定應用。

易失性存儲器

隨機存取存儲器（RAM）：計算機中最常用的易失性存儲器，用于暫時存儲正在運行的程序和數據。根據技術和性能的不同，可分為靜態隨機存取存儲器（SRAM）和動態隨機存取存儲器（DRAM）。
SRAM：速度快，但成本高、集成度低，常用于高速緩存（Cache）等對速度要求極高的場景。
DRAM：成本低、集成度高，但速度相對較慢，是計算機內存的主要組成部分，用于存儲正在運行的程序和數據。計算機在運行過程中，需要不斷地對 DRAM 中的數據進行刷新操作，以防止數據丟失。
高速緩沖存儲器（Cache）：位于 CPU 和主存之間的一種高速小容量存儲器，用于存儲 CPU 近期可能會頻繁訪問的數據和指令。Cache 通常采用 SRAM 實現，速度比主存快得多，能有效提高 CPU 訪問數據的速度，減少 CPU 等待數據從主存傳輸的時間，從而提高整個計算機系統的性能。

硬件電路??

?W25Q64框圖

兩個地址鎖存和計數器解釋

框圖重點部分：四點?

Flash操作注意事項?

寫入操作時：

寫入操作前，必須先進行寫使能
每個數據位只能由1改寫為0，不能由0改寫為1（這個意思就是Flash并沒有像RAM那樣的直接完全覆蓋的改寫能力，而是受到這個規則限制）比如：在某個存儲單元存儲了0xAA，寫入新的0x55,那數據并不會覆蓋為0x55，而是受到限制變為0x00,為了彌補這個缺陷，就用到了擦除的規定
寫入數據前必須先擦除，擦除后，所有數據位變為1，擦除有專門的擦除電路，我們只需要發送對應的指令，擦除后，所有的數據為都變為1，也就是16進制的0xFF,這樣就可以彌補第二條的限制。
擦除必須按最小擦除單元進行，有最小擦除單元限制，不能指定某一個字節擦除，要一大片的擦除，可以按片擦除，按快擦除或者按扇形擦除，最小的單元就是一個扇區擦除。
連續寫入多字節時，最多寫入一頁的數據，超過頁尾位置的數據，會回到頁首覆蓋寫入（意思就是寫入的時候，一次性不能寫太多，一個寫入時序最多寫入一頁的數據，也就是256字節）
寫入操作結束后，芯片進入忙狀態，不響應新的讀寫操作，使用讀狀態寄存器指令，看BUSY位是否為0，BUSY為0就是不忙狀態