STM32 HAL庫驅動W25QXX Flash

STM32 HAL庫驅動W25QXX Flash

1. 概述

W25QXX系列是一種SPI接口的Flash存儲器，廣泛應用于嵌入式系統中作為數據存儲設備。本文檔詳細介紹了基于STM32 HAL庫的W25QXX Flash驅動實現，包括硬件連接、驅動函數實現以及使用示例。

項目源碼倉庫：STM32_Sensor_Drives

2. 硬件連接

在這里插入圖片描述

W25QXX Flash通過SPI接口與STM32連接，主要包括以下引腳：

  • SCK - 連接到STM32的SPI1_SCK (PA5)
  • MISO - 連接到STM32的SPI1_MISO (PA6)
  • MOSI - 連接到STM32的SPI1_MOSI (PA7)
  • CS - 連接到STM32的GPIO (PA4)

3. 驅動實現

3.1 SPI配置

首先，我們需要配置SPI接口以與W25QXX通信。在spi.c文件中，SPI1的初始化配置如下：

void MX_SPI1_Init(void)
{hspi1.Instance = SPI1;hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK){Error_Handler();}
}

這里配置SPI為主模式，8位數據寬度，高電平空閑，第二個邊沿采樣，軟件控制NSS，波特率預分頻為8，MSB優先傳輸。

3.2 GPIO配置

W25QXX的片選信號需要通過GPIO控制，在gpio.c中配置如下：

void MX_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* GPIO Ports Clock Enable */__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();/*Configure GPIO pin Output Level */HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);/*Configure GPIO pin : PA4 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

PA4配置為推挽輸出模式，用于控制W25QXX的片選信號。初始狀態設置為高電平（未選中）。

3.3 W25QXX命令定義

在spi.h文件中，定義了W25QXX的各種命令和片選引腳：

#define ManufactDeviceID_CMD	0x90
#define READ_STATU_REGISTER_1   0x05
#define READ_STATU_REGISTER_2   0x35
#define READ_DATA_CMD	        0x03
#define WRITE_ENABLE_CMD	    0x06
#define WRITE_DISABLE_CMD	    0x04
#define SECTOR_ERASE_CMD	    0x20
#define CHIP_ERASE_CMD	        0xc7
#define PAGE_PROGRAM_CMD        0x02#define W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port GPIOA
#define W25Q64_CHIP_SELECT_Pin GPIO_PIN_4

這些命令用于實現讀取ID、讀寫數據、擦除扇區等操作。

3.4 SPI基礎通信函數

在spi.c文件中，實現了三個基礎的SPI通信函數：

/*** @brief    SPI發送指定長度的數據* @param    buf  —— 發送數據緩沖區首地址* @param    size —— 要發送數據的字節數* @retval   成功返回HAL_OK*/
static HAL_StatusTypeDef SPI_Transmit(uint8_t* send_buf, uint16_t size)
{return HAL_SPI_Transmit(&hspi1, send_buf, size, 100);
}/*** @brief   SPI接收指定長度的數據* @param   buf  —— 接收數據緩沖區首地址* @param   size —— 要接收數據的字節數* @retval  成功返回HAL_OK*/
static HAL_StatusTypeDef SPI_Receive(uint8_t* recv_buf, uint16_t size)
{return HAL_SPI_Receive(&hspi1, recv_buf, size, 100);
}/*** @brief   SPI在發送數據的同時接收指定長度的數據* @param   send_buf  —— 接收數據緩沖區首地址* @param   recv_buf  —— 接收數據緩沖區首地址* @param   size —— 要發送/接收數據的字節數* @retval  成功返回HAL_OK*/
static HAL_StatusTypeDef SPI_TransmitReceive(uint8_t* send_buf, uint8_t* recv_buf, uint16_t size)
{return HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, send_buf, recv_buf, size, 100);
}

這三個函數分別用于發送數據、接收數據和同時發送接收數據，是W25QXX驅動的基礎。

3.5 W25QXX驅動函數實現

3.5.1 讀取Flash ID
/*** @brief   讀取Flash內部的ID* @param   none* @retval  成功返回device_id*/
uint16_t W25QXX_ReadID(void)
{uint8_t recv_buf[2] = {0};    //recv_buf[0]存放Manufacture ID, recv_buf[1]存放Device IDuint16_t device_id = 0;uint8_t send_data[4] = {ManufactDeviceID_CMD,0x00,0x00,0x00};   //待發送數據，命令+地址/* 使能片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);/* 發送并讀取數據 */if (HAL_OK == SPI_Transmit(send_data, 4)) {if (HAL_OK == SPI_Receive(recv_buf, 2)) {device_id = (recv_buf[0] << 8) | recv_buf[1];}}/* 取消片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);return device_id;
}

該函數用于讀取W25QXX的制造商ID和設備ID，通過發送0x90命令和三個字節的地址（全0），然后讀取兩個字節的數據。

3.5.2 讀取狀態寄存器
/*** @brief     讀取W25QXX的狀態寄存器，W25Q64一共有2個狀態寄存器* @param     reg  —— 狀態寄存器編號(1~2)* @retval    狀態寄存器的值*/
static uint8_t W25QXX_ReadSR(uint8_t reg)
{uint8_t result = 0; uint8_t send_buf[4] = {0x00,0x00,0x00,0x00};switch(reg){case 1:send_buf[0] = READ_STATU_REGISTER_1;case 2:send_buf[0] = READ_STATU_REGISTER_2;case 0:default:send_buf[0] = READ_STATU_REGISTER_1;}/* 使能片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);if (HAL_OK == SPI_Transmit(send_buf, 4)) {if (HAL_OK == SPI_Receive(&result, 1)) {HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);return result;}}/* 取消片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);return 0;
}

該函數用于讀取W25QXX的狀態寄存器，W25Q64有兩個狀態寄存器，通過參數reg選擇要讀取的寄存器。

3.5.3 等待Flash空閑
/*** @brief	阻塞等待Flash處于空閑狀態* @param   none* @retval  none*/
static void W25QXX_Wait_Busy(void)
{while((W25QXX_ReadSR(1) & 0x01) == 0x01); // 等待BUSY位清空
}

該函數通過循環檢查狀態寄存器1的最低位（BUSY位），等待其變為0，表示Flash處于空閑狀態。

3.5.4 讀取數據
/*** @brief   讀取SPI FLASH數據* @param   buffer      —— 數據存儲區* @param   start_addr  —— 開始讀取的地址(最大32bit)* @param   nbytes      —— 要讀取的字節數(最大65535)* @retval  成功返回0，失敗返回-1*/
int W25QXX_Read(uint8_t* buffer, uint32_t start_addr, uint16_t nbytes)
{uint8_t cmd = READ_DATA_CMD;start_addr = start_addr << 8;W25QXX_Wait_Busy();/* 使能片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);SPI_Transmit(&cmd, 1);if (HAL_OK == SPI_Transmit((uint8_t*)&start_addr, 3)) {if (HAL_OK == SPI_Receive(buffer, nbytes)) {HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);return 0;}}HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);return -1;
}

該函數用于從指定地址讀取指定長度的數據，首先發送讀取命令（0x03），然后發送3字節地址，最后讀取數據。

3.5.5 寫使能和寫禁止
/*** @brief    W25QXX寫使能,將S1寄存器的WEL置位* @param    none* @retval*/
void W25QXX_Write_Enable(void)
{uint8_t cmd= WRITE_ENABLE_CMD;HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);SPI_Transmit(&cmd, 1);HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);W25QXX_Wait_Busy();}/*** @brief    W25QXX寫禁止,將WEL清零* @param    none* @retval    none*/
void W25QXX_Write_Disable(void)
{uint8_t cmd = WRITE_DISABLE_CMD;HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);SPI_Transmit(&cmd, 1);HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);W25QXX_Wait_Busy();
}

這兩個函數分別用于使能和禁止寫操作。在進行寫入或擦除操作前，必須先調用寫使能函數。

3.5.6 扇區擦除
/*** @brief    W25QXX擦除一個扇區* @param   sector_addr    —— 扇區地址 根據實際容量設置* @retval  none* @note    阻塞操作*/
void W25QXX_Erase_Sector(uint32_t sector_addr)
{uint8_t cmd = SECTOR_ERASE_CMD;sector_addr *= 4096;    //每個塊有16個扇區，每個扇區的大小是4KB，需要換算為實際地址sector_addr <<= 8;W25QXX_Write_Enable();  //擦除操作即寫入0xFF，需要開啟寫使能W25QXX_Wait_Busy();        //等待寫使能完成/* 使能片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);SPI_Transmit(&cmd, 1);SPI_Transmit((uint8_t*)&sector_addr, 3);HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);W25QXX_Wait_Busy();       //等待扇區擦除完成
}

該函數用于擦除指定的扇區，每個扇區大小為4KB。擦除前需要先使能寫操作，擦除后需要等待操作完成。

3.5.7 頁編程（寫入數據）
/*** @brief    頁寫入操作* @param    dat —— 要寫入的數據緩沖區首地址* @param    WriteAddr —— 要寫入的地址* @param   byte_to_write —— 要寫入的字節數（0-256）* @retval    none*/
void W25QXX_Page_Program(uint8_t* dat, uint32_t WriteAddr, uint16_t nbytes)
{uint8_t cmd = PAGE_PROGRAM_CMD;WriteAddr <<= 8;W25QXX_Write_Enable();/* 使能片選 */HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_RESET);SPI_Transmit(&cmd, 1);SPI_Transmit((uint8_t*)&WriteAddr, 3);SPI_Transmit(dat, nbytes);HAL_GPIO_WritePin(W25Q64_CHIP_SELECT_GPIO_Port, W25Q64_CHIP_SELECT_Pin, GPIO_PIN_SET);W25QXX_Wait_Busy();
}

該函數用于向指定地址寫入數據，寫入前需要先使能寫操作，寫入后需要等待操作完成。W25QXX的頁大小為256字節，一次寫入不能超過一頁。

4. 使用示例

在main.c文件中，展示了如何使用W25QXX驅動進行讀寫操作：

int main(void)
{/* 省略初始化代碼 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */printf("System will start while\n");printf("read data before write\r\n");W25QXX_Read(read_buf, 0, 10);snprintf(str, 15, "read data: %x", read_buf[2]);printf("%s\r\n", str);/* 擦除該扇區 */printf("erase sector 0 \r\n");W25QXX_Erase_Sector(0);/* 再次讀數據 */printf("read erase data\r\n");W25QXX_Read(read_buf, 0, 10);memset(str, 0, sizeof(str)); // 清空讀緩沖區snprintf(str, 15, "read data: %x", read_buf[2]);printf("%s\r\n", str);/* 寫數據 */printf("write data \r\n");for (i = 0; i < 10; i++){write_buf[i] = i;}W25QXX_Page_Program(write_buf, 0, 10); // 寫數據/* 再次讀數據 */printf("read write data \r\n");W25QXX_Read(read_buf, 0, 10);memset(str, 0, sizeof(str)); // 清空讀緩沖區snprintf(str, 15, "read data: %x", read_buf[2]);printf("%s\r\n", str);while (1){HAL_Delay(200);}
}

這個示例展示了完整的W25QXX操作流程：

  1. 首先讀取Flash中的數據
  2. 擦除扇區0
  3. 再次讀取數據，驗證擦除效果
  4. 寫入新數據
  5. 再次讀取數據，驗證寫入效果

5. 串口打印功能

為了方便調試，在usart.c中實現了printf函數的重定向：

int fputc(int ch, FILE *f)
{if (f == stdout)  // 僅處理標準輸出{HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, 100);  // 阻塞發送if (ch == '\n')  // 發送\n時自動補充\rHAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)"\r", 1, 100);}return ch;
}

通過重定向fputc函數，使得printf函數的輸出通過UART2發送，便于觀察程序運行狀態。

6. 總結

本文檔詳細介紹了基于STM32 HAL庫的W25QXX Flash驅動實現，包括：

  1. SPI和GPIO的配置
  2. W25QXX的命令定義
  3. 基礎SPI通信函數
  4. W25QXX驅動函數實現（讀ID、讀寫數據、擦除扇區等）
  5. 使用示例
  6. 串口打印功能

通過這些代碼，可以方便地在STM32項目中使用W25QXX Flash進行數據存儲和讀取。

7. 注意事項

  1. W25QXX的寫入操作需要先擦除扇區，因為Flash只能將1變為0，不能將0變為1
  2. 擦除和寫入操作前必須先使能寫操作
  3. 寫入數據不能跨頁，一頁為256字節
  4. 擦除和寫入操作需要等待完成，否則可能導致數據錯誤
  5. 頻繁擦寫同一區域會導致Flash壽命減少，建議實現磨損均衡算法

8. 參考資料

  • W25Q64數據手冊
  • STM32 HAL庫文檔
  • STM32 SPI通信指南

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