SPI通信原理---STM32F4--HAL

SPI接口原理

SPI是一種高速全雙工同步通信，在芯片管腳上占用四根線，主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

在這里插入圖片描述
SPI接口使用4根線通信。

MISO：主設備數據輸入，從設備數據輸出
MOSI：主設備數據輸出，從設備數據輸入
SCLK：時鐘信號，由主設備產生
CS：片選信號，由主設備控制

工作原理

主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向他的SPI串行寄存器寫入一個字節來發起一次傳輸
串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節傳送給從機，從機將自己的串行移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機
外設的寫操作和讀操作都是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節，反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸

時鐘信號的相位

SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能夠組合成四種可能的時序關系，如果CPOL位為0，SCK引腳在空閑狀態保持低電平，如果CPOL=1 ，SCK引腳在空閑狀態下保持高電平。
如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數據被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數據被采樣

在這里插入圖片描述

數據幀格式

根據SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，輸出數據時可以MSB優先，也可以LSB優先
根據SPI_CR1寄存器的DFF位，每個數據幀可以是8位或是16位

程序配置過程

我們使用SPI和w25Q256通信，硬件連接為
在這里插入圖片描述

使能SPIx和IO時鐘
初始化IO口復用映射
初始化SIPx，設置SPIx工作模式
使能SPIx
SPI數據傳輸

具體代碼實現

SPI_HandleTypeDef SPI5_Handler;  //SPI句柄//以下是SPI模塊的初始化代碼，配置成主機模式 						  
//SPI口初始化
//這里針是對SPI5的初始化
void SPI5_Init(void)
{SPI5_Handler.Instance=SPI5;                         //SP5SPI5_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER;             //設置SPI工作模式，設置為主模式SPI5_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES;   //設置SPI單向或者雙向的數據模式:SPI設置為雙線模式SPI5_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT;       //設置SPI的數據大小:SPI發送接收8位幀結構SPI5_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH;    //串行同步時鐘的空閑狀態為高電平SPI5_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE;         //串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數據被采樣SPI5_Handler.Init.NSS=SPI_NSS_SOFT;                 //NSS信號由硬件（NSS管腳）還是軟件（使用SSI位）管理:內部NSS信號有SSI位控制SPI5_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//定義波特率預分頻的值:波特率預分頻值為256SPI5_Handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB;        //指定數據傳輸從MSB位還是LSB位開始:數據傳輸從MSB位開始SPI5_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE;        //關閉TI模式SPI5_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//關閉硬件CRC校驗SPI5_Handler.Init.CRCPolynomial=7;                  //CRC值計算的多項式HAL_SPI_Init(&SPI5_Handler);//初始化__HAL_SPI_ENABLE(&SPI5_Handler);                    //使能SPI5SPI5_ReadWriteByte(0Xff);                           //啟動傳輸
}//SPI5底層驅動，時鐘使能，引腳配置
//此函數會被HAL_SPI_Init()調用
//hspi:SPI句柄
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();       //使能GPIOF時鐘__HAL_RCC_SPI5_CLK_ENABLE();        //使能SPI5時鐘//PF7,8,9GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;              //復用推挽輸出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;                  //上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST;             //快速            GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF5_SPI5;           //復用為SPI5HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);
}

先使用HAL_SPI_Init函數對SPI進行初始化，注意我們只初始化PF7、PF8、PF9，也就是SPI的SCK線，MISO線和MOSI線，CS線還沒有初始化，HAL_SPI_MspInit是HAL_SPI_Init的回調函數，我們在這里初始化GPIO以及使能。上面的代碼完成了第1到4步。接下來我們就可以進行數據傳輸了。

W25Q256

W25Q256是容量為32M字節的串行Flash芯片，它將32M的容量分為512塊（Block），每個塊大小為64K字節，每個塊又分為16個扇區(sector)，每個扇區4K字節，W25Q256最小擦除單位為一個扇區，也就是每次必須擦除4K個字節。
在這里插入圖片描述

在這里插入圖片描述

W25QXX_Write函數思路

根據要寫的起始地址，確定要寫的起始區域Sector號以及在起始sector中的偏移量
根據要寫的起始地址和字節數，確定要寫的數據是否跨sector
確定好要操作的sector以及sector的地址范圍
對每一個sector，先遍歷要寫的地址區域保存的數據是不是0xFF。如果都是，就不用擦除，如果有不是0xff的區域，先讀出里面的數據，保存在緩存buffer中，然后擦除里面的數據，把這個sector要操作的數據，寫到緩存，最后一次性把緩存buffer寫到這個對應的sector中

具體代碼實現

//寫SPI FLASH  
//在指定地址開始寫入指定長度的數據
//該函數帶擦除操作!
//pBuffer:數據存儲區
//WriteAddr:開始寫入的地址(24bit)						
//NumByteToWrite:要寫入的字節數(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;//扇區地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇區內的偏移secremain=4096-secoff;//扇區剩余空間大小   //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//測試用if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096個字節while(1) {	W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//讀出整個扇區的內容for(i=0;i<secremain;i++)//校驗數據{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  }if(i<secremain)//需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除這個扇區for(i=0;i<secremain;i++)	   //復制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  }W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//寫入整個扇區  }else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//寫已經擦除了的,直接寫入扇區剩余區間. 				   if(NumByteToWrite==secremain)break;//寫入結束了else//寫入未結束{secpos++;//扇區地址增1secoff=0;//偏移位置為0 	 pBuffer+=secremain;  //指針偏移WriteAddr+=secremain;//寫地址偏移	   NumByteToWrite-=secremain;				//字節數遞減if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一個扇區還是寫不完else secremain=NumByteToWrite;			//下一個扇區可以寫完了}	 };	 
}

根據要寫的起始地址，確定要寫的起始區域Sector號以及在起始sector中的偏移量

	secpos=WriteAddr/4096;//扇區地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇區內的偏移

每個扇區的大小是4K字節，也就是4094，除以4096就得到扇區的地址，模4096就得到在扇區里面開始寫的地址。

根據要寫的起始地址和字節數，確定要寫的數據是否跨扇區

secremain=4096-secoff;//扇區剩余空間大小   //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//測試用if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096個字節

secremain是扇區剩余空間大小，NumByteToWrite是要寫入的字節數，如果NumByteToWrite<=secremain就不需要跨扇區。所以在后面有：

if(NumByteToWrite==secremain)break;//寫入結束了

不需要跨扇區，寫入結束，否則的話，就需要跨扇區，扇區號要加1，扇區偏移地址為0

secpos++;//扇區地址增1
secoff=0;//偏移位置為0

對每一個sector，先遍歷要寫的地址區域保存的數據是不是0xFF。如果都是，就不用擦除，如果有不是0xff的區域，先讀出里面的數據，保存在緩存buffer中，然后擦除里面的數據，把這個sector要操作的數據，寫到緩存，最后一次性把緩存buffer寫到這個對應的sector中

		W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//讀出整個扇區的內容for(i=0;i<secremain;i++)//校驗數據{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  }if(i<secremain)//需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除這個扇區for(i=0;i<secremain;i++)	   //復制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  }W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//寫入整個扇區  }

W25QXX_Read先保存扇區數據到W25QXX_BUF中，然后遍歷剩余扇區數據有無不等于0xFF的，如果有，則調用W25QXX_Erase_Sector擦除整個扇區，然后將要寫的數據線寫到W25QXX_BUF中，最后一次性把W25QXX_BUF緩沖寫到扇區中。

如果需要跨扇區寫數據

else//寫入未結束{secpos++;//扇區地址增1secoff=0;//偏移位置為0 	 pBuffer+=secremain;  //指針偏移WriteAddr+=secremain;//寫地址偏移	   NumByteToWrite-=secremain;				//字節數遞減if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一個扇區還是寫不完else secremain=NumByteToWrite;			//下一個扇區可以寫完了}

while會一直循環，直到寫入結束了

if(NumByteToWrite==secremain)break;//寫入結束了

W25QXX_Write就是在指定地址連續寫入NumByteToWrite個字節數據

讀取FLASH數據

//讀取SPI FLASH  
//在指定地址開始讀取指定長度的數據
//pBuffer:數據存儲區
//ReadAddr:開始讀取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要讀取的字節數(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);      //發送讀取命令  if(W25QXX_TYPE==W25Q256)                //如果是W25Q256的話地址為4字節的，要發送最高8位{SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>24));    }SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));   //發送24bit地址    SPI5_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   SPI5_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   for(i=0;i<NumByteToRead;i++){ pBuffer[i]=SPI5_ReadWriteByte(0XFF);    //循環讀數  }W25QXX_CS=1;  				    	      
}

W25QXX_Read從ReadAddr地址連續讀取NumByteToRead個字節數據

main函數

我們寫入數據到FALSH中，然后讀取出來在LCD上顯示

//要寫入到W25Q16的字符串數組
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庫   Stm32_Clock_Init(360,25,2,8);   //設置時鐘,180Mhzdelay_init(180);                //初始化延時函數uart_init(115200);              //初始化USARTLED_Init();                     //初始化LED KEY_Init();                     //初始化按鍵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");	//顯示提示信息		while(W25QXX_ReadID()!=W25Q256)								//檢測不到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閃爍}LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q256 Ready!"); FLASH_SIZE=32*1024*1024;	//FLASH 大小為32M字節POINT_COLOR=BLUE;			//設置字體為藍色	  while(1){key=KEY_Scan(0);if(key==KEY1_PRES)//KEY1按下,寫入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);		//從倒數第100個地址處開始,寫入SIZE長度的數據LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"W25Q256 Write Finished!");	//提示傳送完成}if(key==KEY0_PRES)//KEY0按下,讀取字符串并顯示{LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read W25Q256.... ");W25QXX_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);					//從倒數第100個地址處開始,讀出SIZE個字節LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is:   ");	//提示傳送完成LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);					//顯示讀到的字符串} i++;delay_ms(10);if(i==20){LED0=!LED0;//提示系統正在運行	i=0;}		   }		    
}