本內容基于江協科技STM32視頻學習之后整理而得。

1. SPI（串行外設接口）通信

1.1 SPI通信簡介

• 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）串行時鐘線、MOSI（Master Output Slave Input）主機輸出從機輸入、MISO（Master Input Slave Output）主機輸入從機輸出、SS（Slave Select）從機選擇
• 同步，全雙工（數據的發送和接收單獨用一條線）
• 支持總線掛載多設備（一主多從）

1.2 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

• SCK時鐘線由主機控制，對主機來說，時鐘線為輸出，對所有從機來說，時鐘線為輸入；
• MOSI：主機是MO，主機輸出，從機輸入。數據通過MOSI線由主機輸出，從機輸入。
• MISO：主機輸入從機輸出。三個從機通過MISO輸出，主機通過MISO輸入。當從機的SS引腳是高電平時，它的MISO引腳，必須切換為高阻態，相當于引腳斷開，不輸出任何電平。這樣就可以防止，一條線有多個輸出，而導致的電平沖突問題。在SS為低電平時，MISO才允許變為推挽輸出。
• SS線低電平有效。

1.3 移位示意圖

• 移位寄存器有一個時鐘輸入端，SPI一般都是高位先行的，所以，每來一個時鐘，移位寄存器都會向左進行移位。移位寄存器的時鐘源是由主機提供的，這里叫做波特率發生器，它產生的時鐘驅動主機的移位寄存器進行移位。同時，這個時鐘也通過SCK引腳進行輸出，接到從機的移位寄存器里。
• 主機移位寄存器左邊移出去的數據通過MOSI引腳，輸入到從機移位寄存器的右邊。從機移位寄存器左邊移出去的數據，通過MISO引腳，輸入到主機移位寄存器的右邊。
• 波特率發生器時鐘的上升沿，所有移位寄存器向左移動一位，移出去的位放到引腳上。波特率發生器時鐘的下降沿，引腳上的位，采樣輸入到移位寄存器的最低位。
• SPI通信的基礎是交換一個字節，可以實現發送一個字節、接收一個字節、發送同時接收一個字節。

1.4 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

• 交換一個字節（模式0）

• CPOL=0：空閑狀態時，SCK為低電平

• CPHA=0：SCK第一個邊沿移入數據，第二個邊沿移出數據

  • CPOL(Clock Polarity)時鐘極性
  • CPHA(Clock Phase)時鐘相位：決定是第一個時鐘采樣移入還是第二個時鐘采樣移入，
    

• 交換一個字節（模式1）

• CPOL=0：空閑狀態時，SCK為低電平

• CPHA=1：SCK第一個邊沿移出數據，第二個邊沿移入數據

  • SS為高電平時，MISO為高阻態。SS下降沿之后，從機的MISO被允許開啟輸出；SS上升沿之后，從機的MISO必須置回高阻態。
  • SCK上升沿時，主機和從機同時移出數據，主機通過MOSI移出最高位，此時MOSI的電平就表示了主機要發送數據的B7；從機通過MISO移出最高位，MISO的電平就表示了從機要發送數據的B7，時鐘運行產生下降沿，此時主機和從機同時移入數據，也就是進行數據采樣，主機移出的B7進入從機移位寄存器的最低位，從機移出的B7進入主機移位寄存器的最低位。這樣，一個時鐘脈沖產生完畢，一個數據位傳輸完畢。當主機和從機完成了一個字節的數據交換后，如果主機只想交換一個字節，那這時可以置SS為高電平，結束通信。在SS的上升沿，MOSI還可以再變化一次，將MOSI置到一個默認的高電平或低電平，但MISO，從機必須置回高組態，如果主機的MISO為上拉輸入的話，則MISO引腳的電平就是默認的高電平，如果主機MISO為浮空輸入，則MISO引腳的電平不確定。
    

• 交換一個字節（模式2）

• CPOL=1：空閑狀態時，SCK為高電平

• CPHA=0：SCK第一個邊沿移入數據，第二個邊沿移出數據

• 交換一個字節（模式3）
• CPOL=1：空閑狀態時，SCK為高電平
• CPHA=1：SCK第一個邊沿移出數據，第二個邊沿移入數據

1.5 SPI時序

1.5.1 發送指令

• 發送指令
• 向SS指定的設備，發送指令（0x06）。0x06是寫使能指令，

SPI采用指令碼加讀寫數據的模型。SPI起始后，第一個交換發送給從機的數據一般叫做指令碼，在從機中，對應的會定義一個指令集，當需要發送什么指令時，就可以在起始后第一個字節，發送指令集里面的數據，這樣就能指導從機完成相應的功能了。不同的指令，可以有不同的數據個數。有的指令，只需要一個字節的指令碼就可以完成。而有的指令，后面就需要再跟要讀寫的數據。

1.5.2 指定地址寫

• 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）

1.5.3 指定地址讀

• 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）

2. W25Q64

2.1 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）

• 時鐘頻率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

• 存儲容量（24位地址）：

  W25Q40： 4Mbit / 512KByte
  W25Q80： 8Mbit / 1MByte
  W25Q16： 16Mbit / 2MByte
  W25Q32： 32Mbit / 4MByte
  W25Q64： 64Mbit / 8MByte
  W25Q128： 128Mbit / 16MByte
  W25Q256： 256Mbit / 32MByte

2.2 硬件電路

• CS：低電平有效。
• WP：寫保護，配合內部的寄存器配置，可以實現硬件的寫保護。低電平有效，WP接低電平，保護住，不讓寫；WP接高電平，不保護，可以寫。
• C1：濾波；R1和D1電源指示燈，接通電源就亮。

2.3 W25Q64框圖

• 存儲器以字節為單位，每個字節都有唯一的地址。W25Q64的地址寬度是24位，3個字節。24位地址，最大尋址范圍是16MB，該芯片只有8MB，所以地址空間只用了一半。8MB的空間排到最后一個字節就是7F FF FF。
• 在整個空間中以64KB為一個基本單元，劃分為若干的塊Block，8*1024/64=128塊。每一塊再進行更細的劃分，以4KB進行劃分，分為16個扇區Sector。頁是256個字節，一個扇區是4KB，以256個字節劃分，得到4*1024/256=16頁。每一行為一頁，一頁內的地址變化，僅限于地址的最低一個字節。
• 控制邏輯就是整個芯片的管理員，控制邏輯左邊是SPI的通信引腳，這些引腳與主控芯片進行連接，主控芯片通過SPI協議，把指令和數據發給控制邏輯，控制邏輯就會自動去操作內部電路來完成想要的功能。
• 控制邏輯上面的狀態寄存器，比如芯片是否處于忙狀態、是否寫使能、是否寫保護等都可以在這個狀態寄存器里體現。
• 寫控制邏輯與外部的WP引腳相連，是配合WP引腳實現硬件寫保護的。
• 高電壓生成器：是配合Flash進行編程的，因為Flash是掉電不丟失的，所以需要一個高壓源。
• 頁地址鎖存/計數器、字節地址鎖存/計數器：用來指定地址的，
• 通過SPI總共發過來3個字節的地址。因為一頁是256字節，所以一頁內的字節地址就取決于最低一個字節，而高位的2個字節就對應的是頁地址。
• 所以發過來的3個字節的前2個字節會進到頁地址鎖存計數器里，最后一個字節會進到字節地址鎖存計數器里。頁地址通過寫保護和行解碼來選擇要操作哪一頁。字節地址通過這個列解碼和256字節頁緩存來進行指定字節的讀寫操作。又因為地址鎖存都是有一個計數器的，所以這個地址指針在讀寫之后可以自動加1，因此可以實現從指定地址開始，連續讀寫多個字節的目的。
  256字節的頁緩存區是一個256字節的RAM存儲器，讀寫是通過這個RAM緩存區來進行的，寫入的數據會先放到緩存區里，然后在時序結束后，芯片再將緩存區的數據復制到對應的Flash里，進行永久保存。
  為什么數據要先進入緩存區呢？是因為SPI寫入的頻率是非常高的，

2.4 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
• 寫入數據前必須先擦除，擦除后，所有數據位變為1
• 擦除必須按最小擦除單元（4096個字節）進行
• 連續寫入多字節時，最多寫入一頁（256字節（RAM緩存區））的數據，超過頁尾位置的數據，會回到頁首覆蓋寫入
• 寫入操作結束后，芯片進入忙狀態，不響應新的讀寫操作

讀取操作時：

• 直接調用讀取時序，無需使能，無需額外操作，沒有頁的限制，讀取操作結束后不會進入忙狀態，但不能在忙狀態時讀取

2.5 手冊指令集

• Write Enable 寫使能：06，先起始，再交換一個字節，第一個字節是發送方向，發送0x06指令
• Write Disable寫失能：04，起始，交換字節發送指令碼04，終止。
• Read Status Register-1 讀狀態寄存器1：05，起始，交換字節發送指令碼05，要讀數據，繼續交換字節，通過交換讀取一個字節，該字節就是狀態寄存器的S7-S0，S0是BUSY位，S1是WEL位，主要用來查看忙狀態的
• Page Program頁編程：02，就是寫數據，起始、交換字節發送指令02，然后繼續交換發送地址的23-16位、15-8位、7-0位，這三個字節用來指定地址，再之后，就可以寫入數據D7-D0，該數據寫入到剛才指定的地址下。如果繼續交換寫入的話，后續的字節就從起始地址開始依次存儲，
  Sector Erase(4KB)扇區擦除：20，起始，交換字節發送指令20，之后再交換發送3個字節的地址，終止。發送之后，這個指定地址所在的扇區就會被整個擦除。
• JEDEC ID 讀取ID號：9F，起始，交換發送9F，隨后繼續交換讀取3個字節，終止。第一個字節是廠商ID，后兩個字節是設備ID，
• Read Data 讀取數據：03，起始，交換發送指令03，之后交換發送3個字節的地址，再之后交換讀取數據，該數據是3個字節地址下的數據。再繼續讀取，后面數據就是從指定地址開始依次讀存儲的數據。

3. SPI外設簡介

• STM32內部集成了硬件SPI收發電路，可以由硬件自動執行時鐘生成、數據收發等功能，減輕CPU的負擔
• 可配置8位/16位數據幀、高位先行/低位先行
• 時鐘頻率：fPCLK / 分頻系數 = fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
  • APB2的PCLK是72MHz，APB1的PCLK是36MHz。
• 支持多主機模型、主或從操作
• 可精簡為半雙工/單工通信
• 支持DMA
• 兼容I2S協議
• STM32F103C8T6 硬件SPI資源：SPI1（掛載在APB2）、SPI2（掛載在APB1）

3.1 SPI框圖

• 移位寄存器：右邊的數據低位一位一位地從MOSI移出去，
  MISO的數據一位一位地移入到左邊的數據高位。
• LSBFIRST是控制低位先行還是高位先行，給0，先發送MSB即高位，給1，先發送LSB即低位
  MOSI與MISO的交叉方框是主要用來進行主從模式引腳變換的。這個SPI外設可以做主機也可以做從機，做主機時，這個交叉就不用，MOSI為MO，主機輸出；MISO為MI，主機輸入。STM32做從機時，MOSI為SI，從機輸入，走交叉路線輸入到移位寄存器，MISO為SO，從機輸出，也走交叉路線，移位寄存器輸出到MISO。
• 接收緩沖區就是接收數據寄存器RDR，發送緩沖區實際上就是發送數據寄存器TDR。TDR和RDR占用同一個地址，統一叫做DR。當要發送一系列數據流時，數據寫入發送緩沖區，當移位寄存器沒有數據移位時，發送緩沖區的數據會立刻轉入移位寄存器，開始移位。這個轉入時刻會置狀態寄存器的TXE為1，表示發送寄存器空。當檢查到TXE為1時，下一個數據，就可以提前寫入到TDR里了，一旦上個數據發完，下一個數據就可以立刻跟進，實現不間斷的連續傳輸。移位寄存器一旦有數據進來了，就會自動產生時鐘，將數據移出去，在移出去的過程中，MISO的數據也會移入，一旦數據移出完成，數據移入也完成。這時，移入的數據就會整體的從移位寄存器轉入到接收緩沖區RDR，這個時刻會置狀態寄存器的RXNE為1，表示接收寄存器非空。當檢查RXNE置1后，就要盡快把數據從RDR讀出來，在下一個數據到來之前，讀出RDR，可以實現連續接收。否則，如果下一個數據已經收到了，上一個數據還沒從RDR讀出來，那么RDR的數據就會被覆蓋，就不能實現連續的數據流了。
• 波特率發生器用來產生SCK時鐘的，內部主要是一個分頻器。
• CR1寄存器的三個位BR0、BR1、BR2，用來控制分頻系數。
• SPE是SPI使能，就是SPI_Cmd函數配置的位。
• BR配置波特率，就是SCK時鐘頻率。
• MSTR配置主從模式，1是主模式，0是從模式。
• CPOL和CPHA用來選擇SPI的4種模式。
• SR寄存器：TXE為發送寄存器空，RXNE為接收寄存器非空
• CR2寄存器：主要是使能位，如中斷使能、DMA使能
• NSS：SS就是從機選擇，低電平有效，所以這里前面加了個N。

3.2 SPI基本結構

3.3 主模式全雙工連續傳輸

示例使用SPI模式3。

• SCK默認是高電平，在第一個下降沿，MOSI和MISO移出數據。上升沿移入數據。
• SS置低電平開始時序，在剛開始時，TXE為1，表示TDR空，
• 可以寫入數據，指示就是軟件寫入0xF1至SPI_DR，0xF1就是要發送的第一個數據，寫入之后TDR(發送緩沖器)變為0xF1，同時TXE=0，此時，TDR是等候區，移位寄存器才是真正的發送區。等候區TDR中的0xF1就會立刻轉入移位寄存器，開始發送。轉入瞬間置TXE標志為1，表示發送寄存器空。然后移位寄存器有數據了，波形就自動開始生成 (MISO/MOSI(輸出))，數據F1的波形就開始產生了，在移位產生F1波形的同時，等候區TDR是空的，為了移位完成時，下一個數據能不間斷地跟隨，這里就要提早把下一個數據寫入到TDR里等著了，
• 寫入F1后，軟件等待TEX=1，然后寫入0xF2至SPI_DR。寫入之后，TDR的內容變成F2了。然后F1數據波形產生完畢后，F2轉入移位寄存器開始發送，這時TXE=1，就盡快把下一個數據F3放到TDR里等著（軟件等待TEX=1，然后寫入0xF3至SPI_DR）.如果只想發送3個數據，F3轉入移位寄存器之后，TXE=1，就不需要再繼續寫入了。在最后一個TXE=1之后，還要繼續再等待一段時間，F3的波形才能完整發送完，等波形完全發送完之后，BUSY標志由硬件清除，這才表示波形發送完了。
• SPI是全雙工，發送的同時，還有接收。
• 在第一個字節發送完成后，第一個字節的接收也完成了。接收到的數據1是A1，這時移位寄存器的數據整體轉入RDR，RDR隨后存儲的就是A1。轉入的同時RXNE標志位也置1，表示收到數據了（軟件等到RXNE=1，然后從SPI_DR讀出A1），接收之后，軟件清除RXNE標志位，當下一個數據A2收到后，RXNE重新置1。當監測到RXNE=1時，就繼續讀出RDR，即第二個數據A2。在最后一個字節時序完全產生之后，數據3才能收到。一個字節波形收到后，移位寄存器的數據自動轉入RDR，會覆蓋原有的數據，所以讀取RDR要及時。

3.4 非連續傳輸

模式3，SCK默認高電平。如果你檢測到TXE=1了，TDR為空，就軟件寫入0xF1至SPI_DR，這時TDR的值變為F1，TXE變為0，目前移位寄存器也是空，F1會立刻轉入移位寄存器開始發送，波形產生，并且TXE置1，表示可以把下一個數據放在TDR里候著了。等到第一個字節時序結束，也就是第一個字節接收完成，這時接收的RXNE置1，先把第一個接收到的數據讀出來，之后再寫入下一個字節數據（軟件等待TXE=1，但是較晚寫入0xF2至SPI_DR），之后數據2開始發送，等先把接收的數據2收著，再繼續寫入數據3。數據3時序結束后，再接收數據3置換回來的數據。
1、 等待TXE=1；2. 寫入發送的數據至TDR，3. 等待RXNE=1，4. 讀取RDR接收的數據。之后交換第二個字節，重復該4步。

3.5 軟件 / 硬件波形對比

3.6 庫函數

// 恢復缺省配置
void SPI_I2S_DeInit(SPI_TypeDef* SPIx);
// 初始化
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
// 結構體變量初始化
void SPI_StructInit(SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
// 外設使能
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
// 中斷使能
void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);
// DMA使能
void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);
// 寫DR數據寄存器
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
// 讀DR數據寄存器
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);// 可以獲取TXE和RXNE標志位的狀態
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);