24.1 SPI協議簡介

SPI協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設備與MCU間，要求通訊速率較高的場合。

學習本章時，可與I2C章節(jié)對比閱讀，體會兩種通訊總線的差異以及EEPROM存儲器與FLASH存儲器的區(qū)別。下面我們分別對SPI協議的物理層及協議層進行講解。

24.1.1 SPI物理層

SPI通訊設備之間的常用連接方式見圖 241。

圖 241 常見的SPI通訊系統(tǒng)

SPI通訊使用3條總線及片選線，3條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線為，它們的作用介紹如下：

(1)     ( Slave Select)：從設備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為NSS、CS，以下用NSS表示。當有多個SPI從設備與SPI主機相連時，設備的其它信號線SCK、MOSI及MISO同時并聯到相同的SPI總線上，即無論有多少個從設備，都共同只使用這3條總線；而每個從設備都有獨立的這一條NSS信號線，本信號線獨占主機的一個引腳，即有多少個從設備，就有多少條片選信號線。I2C協議中通過設備地址來尋址、選中總線上的某個設備并與其進行通訊；而SPI協議中沒有設備地址，它使用NSS信號線來尋址，當主機要選擇從設備時，把該從設備的NSS信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接著主機開始與被選中的從設備進行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線置低電平為開始信號，以NSS線被拉高作為結束信號。

(2)    SCK (Serial Clock)：時鐘信號線，用于通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時鐘頻率不一樣，如STM32的SPI時鐘頻率最大為fpclk/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。

(3)    MOSI (Master Output， Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發(fā)送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。

(4)    MISO(Master Input,，Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線讀入數據，從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。

24.1.2 協議層

與I2C的類似，SPI協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、時鐘同步等環(huán)節(jié)。

1.    SPI基本通訊過程

先看看SPI通訊的通訊時序，見圖 242。

圖 242 SPI通訊時序

這是一個主機的通訊時序。NSS、SCK、MOSI信號都由主機控制產生，而MISO的信號由從機產生，主機通過該信號線讀取從機的數據。MOSI與MISO的信號只在NSS為低電平的時候才有效，在SCK的每個時鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數據。

以上通訊流程中包含的各個信號分解如下：

2.    通訊的起始和停止信號

在圖 242中的標號處，NSS信號線由高變低，是SPI通訊的起始信號。NSS是每個從機各自獨占的信號線，當從機檢在自己的NSS線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開始準備與主機通訊。在圖中的標號處，NSS信號由低變高，是SPI通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態(tài)被取消。

3.    數據有效性

SPI使用MOSI及MISO信號線來傳輸數據，使用SCK信號線進行數據同步。MOSI及MISO數據線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時，MSB先行或LSB先行并沒有作硬性規(guī)定，但要保證兩個SPI通訊設備之間使用同樣的協定，一般都會采用圖 242中的MSB先行模式。

觀察圖中的標號處，MOSI及MISO的數據在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時被采樣。即在SCK的下降沿時刻，MOSI及MISO的數據有效，高電平時表示數據"1"，為低電平時表示數據"0"。在其它時刻，數據無效，MOSI及MISO為下一次表示數據做準備。

SPI每次數據傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

4.    CPOL/CPHA及通訊模式

上面講述的圖 242中的時序只是SPI中的其中一種通訊模式，SPI一共有四種通訊模式，它們的主要區(qū)別是總線空閑時SCK的時鐘狀態(tài)以及數據采樣時刻。為方便說明，在此引入"時鐘極性CPOL"和"時鐘相位CPHA"的概念。

時鐘極性CPOL是指SPI通訊設備處于空閑狀態(tài)時，SCK信號線的電平信號(即SPI通訊開始前、 NSS線為高電平時SCK的狀態(tài))。CPOL=0時， SCK在空閑狀態(tài)時為低電平，CPOL=1時，則相反。

時鐘相位CPHA是指數據的采樣的時刻，當CPHA=0時，MOSI或MISO數據線上的信號將會在SCK時鐘線的"奇數邊沿"被采樣。當CPHA=1時，數據線在SCK的"偶數邊沿"采樣。見圖 243及圖 244。

圖 243 CPHA=0時的SPI通訊模式

我們來分析這個CPHA=0的時序圖。首先，根據SCK在空閑狀態(tài)時的電平，分為兩種情況。SCK信號線在空閑狀態(tài)為低電平時，CPOL=0；空閑狀態(tài)為高電平時，CPOL=1。

無論CPOL=0還是=1，因為我們配置的時鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在SCK的奇數邊沿。注意當CPOL=0的時候，時鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1的時候，時鐘的奇數邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI和MISO數據線的有效信號在SCK的奇數邊沿保持不變，數據信號將在SCK奇數邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI和MISO的有效信號才發(fā)生切換。

類似地，當CPHA=1時，不受CPOL的影響，數據信號在SCK的偶數邊沿被采樣，見圖 244。

圖 244 CPHA=1時的SPI通訊模式

由CPOL及CPHA的不同狀態(tài)，SPI分成了四種模式，見表 241，主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實際中采用較多的是"模式0"與"模式3"。

表 241 SPI的四種模式

24.2 STM32的SPI特性及架構

與I2C外設一樣，STM32芯片也集成了專門用于SPI協議通訊的外設。

24.2.1 STM32的SPI外設簡介

STM32的SPI外設可用作通訊的主機及從機，支持最高的SCK時鐘頻率為fpclk/2 (STM32F429型號的芯片默認fpclk1為90MHz，fpclk2為45MHz)，完全支持SPI協議的4種模式，數據幀長度可設置為8位或16位，可設置數據MSB先行或LSB先行。它還支持雙線全雙工(前面小節(jié)說明的都是這種模式)、雙線單向以及單線模式。其中雙線單向模式可以同時使用MOSI及MISO數據線向一個方向傳輸數據，可以加快一倍的傳輸速度。而單線模式則可以減少硬件接線，當然這樣速率會受到影響。我們只講解雙線全雙工模式。

STM32的SPI外設還支持I2S功能，I2S功能是一種音頻串行通訊協議，在我們以后講解MP3播放器的章節(jié)中會進行介紹。

24.2.2 STM32的SPI架構剖析

圖 245 SPI架構圖

1.    通訊引腳

SPI的所有硬件架構都從圖 245中左側MOSI、MISO、SCK及NSS線展開的。STM32芯片有多個SPI外設，它們的SPI通訊信號引出到不同的GPIO引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳，見表 242。關于GPIO引腳的復用功能，可查閱《STM32F4xx規(guī)格書》，以它為準。

其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的設備，最高通信速率達45Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的設備，最高通信速率為22.5Mbits/s。除了通訊速率，在其它功能上沒有差異。

2.    時鐘控制邏輯

SCK線的時鐘信號，由波特率發(fā)生器根據"控制寄存器CR1"中的BR[0:2]位控制，該位是對fpclk時鐘的分頻因子，對fpclk的分頻結果就是SCK引腳的輸出時鐘頻率，計算方法見表 243。

表 243 BR位對fpclk的分頻

其中的fpclk頻率是指SPI所在的APB總線頻率，APB1為fpclk1，APB2為fpckl2。

通過配置"控制寄存器CR"的"CPOL位"及"CPHA"位可以把SPI設置成前面分析的4種SPI模式。

3.    數據控制邏輯

SPI的MOSI及MISO都連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的內容來源于接收緩沖區(qū)及發(fā)送緩沖區(qū)以及MISO、MOSI線。當向外發(fā)送數據的時候，數據移位寄存器以"發(fā)送緩沖區(qū)"為數據源，把數據一位一位地通過數據線發(fā)送出去；當從外部接收數據的時候，數據移位寄存器把數據線采樣到的數據一位一位地存儲到"接收緩沖區(qū)"中。通過寫SPI的"數據寄存器DR"把數據填充到發(fā)送緩沖區(qū)中，通過"數據寄存器DR"，可以獲取接收緩沖區(qū)中的內容。其中數據幀長度可以通過"控制寄存器CR1"的"DFF位"配置成8位及16位模式；配置"LSBFIRST位"可選擇MSB先行還是LSB先行。

4.    整體控制邏輯

整體控制邏輯負責協調整個SPI外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的"控制寄存器(CR1/CR2)"的參數而改變，基本的控制參數包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主從模式、單雙向模式等等。在外設工作時，控制邏輯會根據外設的工作狀態(tài)修改"狀態(tài)寄存器(SR)"，我們只要讀取狀態(tài)寄存器相關的寄存器位，就可以了解SPI的工作狀態(tài)了。除此之外，控制邏輯還根據要求，負責控制產生SPI中斷信號、DMA請求及控制NSS信號線。

實際應用中，我們一般不使用STM32 SPI外設的標準NSS信號線，而是更簡單地使用普通的GPIO，軟件控制它的電平輸出，從而產生通訊起始和停止信號。

24.2.3 通訊過程

STM32使用SPI外設通訊時，在通訊的不同階段它會對"狀態(tài)寄存器SR"的不同數據位寫入參數，我們通過讀取這些寄存器標志來了解通訊狀態(tài)。

圖 246中的是"主模式"流程，即STM32作為SPI通訊的主機端時的數據收發(fā)過程。

圖 246 主發(fā)送器通訊過程

主模式收發(fā)流程及事件說明如下：

(1)    控制NSS信號線，產生起始信號(圖中沒有畫出)；

(2)    把要發(fā)送的數據寫入到"數據寄存器DR"中，該數據會被存儲到發(fā)送緩沖區(qū)；

(3)    通訊開始，SCK時鐘開始運行。MOSI把發(fā)送緩沖區(qū)中的數據一位一位地傳輸出去；MISO則把數據一位一位地存儲進接收緩沖區(qū)中；

(4)    當發(fā)送完一幀數據的時候，"狀態(tài)寄存器SR"中的"TXE標志位"會被置1，表示傳輸完一幀，發(fā)送緩沖區(qū)已空；類似地，當接收完一幀數據的時候，"RXNE標志位"會被置1，表示傳輸完一幀，接收緩沖區(qū)非空；

(5)    等待到"TXE標志位"為1時，若還要繼續(xù)發(fā)送數據，則再次往"數據寄存器DR"寫入數據即可；等待到"RXNE標志位"為1時，通過讀取"數據寄存器DR"可以獲取接收緩沖區(qū)中的內容。

假如我們使能了TXE或RXNE中斷，TXE或RXNE置1時會產生SPI中斷信號，進入同一個中斷服務函數，到SPI中斷服務程序后，可通過檢查寄存器位來了解是哪一個事件，再分別進行處理。也可以使用DMA方式來收發(fā)"數據寄存器DR"中的數據。

24.3 SPI初始化結構體詳解

跟其它外設一樣，STM32標準庫提供了SPI初始化結構體及初始化函數來配置SPI外設。初始化結構體及函數定義在庫文件"stm32f4xx_spi.h"及"stm32f4xx_spi.c"中，編程時我們可以結合這兩個文件內的注釋使用或參考庫幫助文檔。了解初始化結構體后我們就能對SPI外設運用自如了，見代碼清單 241。

代碼清單 241 SPI初始化結構體

1 typedef struct

2 {

3 uint16_t SPI_Direction; /*設置SPI的單雙向模式 */

4 uint16_t SPI_Mode; /*設置SPI的主/從機端模式 */

5 uint16_t SPI_DataSize; /*設置SPI的數據幀長度，可選8/16位 */

6 uint16_t SPI_CPOL; /*設置時鐘極性CPOL，可選高/低電平*/

7 uint16_t SPI_CPHA; /*設置時鐘相位，可選奇/偶數邊沿采樣 */

8 uint16_t SPI_NSS; /*設置NSS引腳由SPI硬件控制還是軟件控制*/

9 uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*設置時鐘分頻因子，fpclk/分頻數=fSCK */

10 uint16_t SPI_FirstBit; /*設置MSB/LSB先行 */

11 uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*設置CRC校驗的表達式 */

12 } SPI_InitTypeDef;

這些結構體成員說明如下，其中括號內的文字是對應參數在STM32標準庫中定義的宏：

(1)    SPI_Direction

本成員設置SPI的通訊方向，可設置為雙線全雙工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，雙線只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，單線只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、單線只發(fā)送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

(2)    SPI_Mode

本成員設置SPI工作在主機模式(SPI_Mode_Master)或從機模式(SPI_Mode_Slave )，這兩個模式的最大區(qū)別為SPI的SCK信號線的時序，SCK的時序是由通訊中的主機產生的。若被配置為從機模式，STM32的SPI外設將接受外來的SCK信號。

(3)    SPI_DataSize

本成員可以選擇SPI通訊的數據幀大小是為8位(SPI_DataSize_8b)還是16位(SPI_DataSize_16b)。

(4)    SPI_CPOL和SPI_CPHA

這兩個成員配置SPI的時鐘極性CPOL和時鐘相位CPHA，這兩個配置影響到SPI的通訊模式，關于CPOL和CPHA的說明參考前面"通訊模式"小節(jié)。

時鐘極性CPOL成員，可設置為高電平(SPI_CPOL_High)或低電平(SPI_CPOL_Low )。

時鐘相位CPHA 則可以設置為SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇數邊沿采集數據) 或SPI_CPHA_2Edge (在SCK的偶數邊沿采集數據) 。

(5)    SPI_NSS

本成員配置NSS引腳的使用模式，可以選擇為硬件模式(SPI_NSS_Hard )與軟件模式(SPI_NSS_Soft  )，在硬件模式中的SPI片選信號由SPI硬件自動產生，而軟件模式則需要我們親自把相應的GPIO端口拉高或置低產生非片選和片選信號。實際中軟件模式應用比較多。

(6)    SPI_BaudRatePrescaler

本成員設置波特率分頻因子，分頻后的時鐘即為SPI的SCK信號線的時鐘頻率。這個成員參數可設置為fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分頻。

(7)    SPI_FirstBit

所有串行的通訊協議都會有MSB先行(高位數據在前)還是LSB先行(低位數據在前)的問題，而STM32的SPI模塊可以通過這個結構體成員，對這個特性編程控制。

(8)    SPI_CRCPolynomial

這是SPI的CRC校驗中的多項式，若我們使用CRC校驗時，就使用這個成員的參數(多項式)，來計算CRC的值。

配置完這些結構體成員后，我們要調用SPI_Init函數把這些參數寫入到寄存器中，實現SPI的初始化，然后調用SPI_Cmd來使能SPI外設。

24.4 SPI—讀寫串行FLASH實驗

FLSAH存儲器又稱閃存，它與EEPROM都是掉電后數據不丟失的存儲器，但FLASH存儲器容量普遍大于EEPROM，現在基本取代了它的地位。我們生活中常用的U盤、SD卡、SSD固態(tài)硬盤以及我們STM32芯片內部用于存儲程序的設備，都是FLASH類型的存儲器。在存儲控制上，最主要的區(qū)別是FLASH芯片只能一大片一大片地擦寫，而在"I2C章節(jié)"中我們了解到EEPROM可以單個字節(jié)擦寫。

本小節(jié)以一種使用SPI通訊的串行FLASH存儲芯片的讀寫實驗為大家講解STM32的SPI使用方法。實驗中STM32的SPI外設采用主模式，通過查詢事件的方式來確保正常通訊。

24.4.1 硬件設計

圖 247 SPI串行FLASH硬件連接圖

本實驗板中的FLASH芯片(型號：W25Q128)是一種使用SPI通訊協議的NOR FLASH存儲器，它的CS/CLK/DIO/DO引腳分別連接到了STM32對應的SDI引腳NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中STM32的NSS引腳是一個普通的GPIO，不是SPI的專用NSS引腳，所以程序中我們要使用軟件控制的方式。

FLASH芯片中還有WP和HOLD引腳。WP引腳可控制寫保護功能，當該引腳為低電平時，禁止寫入數據。我們直接接電源，不使用寫保護功能。HOLD引腳可用于暫停通訊，該引腳為低電平時，通訊暫停，數據輸出引腳輸出高阻抗狀態(tài)，時鐘和數據輸入引腳無效。我們直接接電源，不使用通訊暫停功能。

關于FLASH芯片的更多信息，可參考其數據手冊《W25Q128》來了解。若您使用的實驗板FLASH的型號或控制引腳不一樣，只需根據我們的工程修改即可，程序的控制原理相同。

24.4.2 軟件設計

為了使工程更加有條理，我們把讀寫FLASH相關的代碼獨立分開存儲，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_spi_flash.c"及"bsp_spi_ flash.h"文件，這些文件也可根據您的喜好命名，它們不屬于STM32標準庫的內容，是由我們自己根據應用需要編寫的。

1.    編程要點

(7)    初始化通訊使用的目標引腳及端口時鐘；

(8)    使能SPI外設的時鐘；

(9)    配置SPI外設的模式、地址、速率等參數并使能SPI外設；

(10)    編寫基本SPI按字節(jié)收發(fā)的函數；

(11)    編寫對FLASH擦除及讀寫操作的的函數；

(12)    編寫測試程序，對讀寫數據進行校驗。

2.    代碼分析

SPI硬件相關宏定義

我們把SPI硬件相關的配置都以宏的形式定義到"bsp_spi_ flash.h"文件中，見代碼清單 242。

代碼清單 242 SPI硬件配置相關的宏

1 //SPI號及時鐘初始化函數

2 #define FLASH_SPI SPI3

3 #define FLASH_SPI_CLK RCC_APB1Periph_SPI3

4 #define FLASH_SPI_CLK_INIT RCC_APB1PeriphClockCmd

5 //SCK引腳

6 #define FLASH_SPI_SCK_PIN GPIO_Pin_3

7 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOB

8 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

9 #define FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE GPIO_PinSource3

10 #define FLASH_SPI_SCK_AF GPIO_AF_SPI3

11 //MISO引腳

12 #define FLASH_SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_4

13 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOB

14 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

15 #define FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE GPIO_PinSource4

16 #define FLASH_SPI_MISO_AF GPIO_AF_SPI3

17 //MOSI引腳

18 #define FLASH_SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_5

19 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOB

20 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

21 #define FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE GPIO_PinSource5

22 #define FLASH_SPI_MOSI_AF GPIO_AF_SPI3

23 //CS(NSS)引腳

24 #define FLASH_CS_PIN GPIO_Pin_8

25 #define FLASH_CS_GPIO_PORT GPIOI

26 #define FLASH_CS_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOI

27

28 //控制CS(NSS)引腳輸出低電平

29 #define SPI_FLASH_CS_LOW() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRH=FLASH_CS_PIN;}

30 //控制CS(NSS)引腳輸出高電平

31 #define SPI_FLASH_CS_HIGH() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRL=FLASH_CS_PIN;}

以上代碼根據硬件連接，把與FLASH通訊使用的SPI號、引腳號、引腳源以及復用功能映射都以宏封裝起來，并且定義了控制CS(NSS)引腳輸出電平的宏，以便配置產生起始和停止信號時使用。

初始化SPI的 GPIO

利用上面的宏，編寫SPI的初始化函數，見代碼清單 243。

代碼清單 243 SPI的初始化函數(GPIO初始化部分)

 1 

2 /**

3 * @brief SPI_FLASH初始化

4 * @param 無

5 * @retval 無

6 */

7 void SPI_FLASH_Init(void)

8 {

9 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

10

11 /* 使能 FLASH_SPI 及 GPIO 時鐘 */

12 /*!< SPI_FLASH_SPI_CS_GPIO, SPI_FLASH_SPI_MOSI_GPIO,

13 SPI_FLASH_SPI_MISO_GPIO和 SPI_FLASH_SPI_SCK_GPIO 時鐘使能 */

14 RCC_AHB1PeriphClockCmd (FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK | FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|

15 FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);

16

17 /*!< SPI_FLASH_SPI 時鐘使能 */

18 FLASH_SPI_CLK_INIT(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);

19

20 //設置引腳復用

21 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,

22 FLASH_SPI_SCK_AF);

23 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,

24 FLASH_SPI_MISO_AF);

25 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,

26 FLASH_SPI_MOSI_AF);

27

28 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: SCK */

29 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;

30 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

31 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

32 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

33 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

35

36 GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

37

38 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: MISO */

39 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;

40 GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

41

42 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: MOSI */

43 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;

44 GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

45

46 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: CS */

47 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;

48 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;

49 GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

50

51 /* 停止信號 FLASH: CS引腳高電平*/

52 SPI_FLASH_CS_HIGH();

53 /*為方便講解，以下省略SPI模式初始化部分*/

54 //......

55 }

與所有使用到GPIO的外設一樣，都要先把使用到的GPIO引腳模式初始化，配置好復用功能。GPIO初始化流程如下：

(1)    使用GPIO_InitTypeDef定義GPIO初始化結構體變量，以便下面用于存儲GPIO配置；

(2)    調用庫函數RCC_AHB1PeriphClockCmd來使能SPI引腳使用的GPIO端口時鐘，調用時使用"|"操作同時配置多個引腳。調用宏FLASH_SPI_CLK_INIT使能SPI外設時鐘(該宏封裝了APB時鐘使能的庫函數)。

(3)    向GPIO初始化結構體賦值，把SCK/MOSI/MISO引腳初始化成復用推挽模式。而CS(NSS)引腳由于使用軟件控制，我們把它配置為普通的推挽輸出模式。

(4)    使用以上初始化結構體的配置，調用GPIO_Init函數向寄存器寫入參數，完成GPIO的初始化。

配置SPI的模式

以上只是配置了SPI使用的引腳，對SPI外設模式的配置。在配置STM32的SPI模式前，我們要先了解從機端的SPI模式。本例子中可通過查閱FLASH數據手冊《W25Q128》獲取。根據FLASH芯片的說明，它支持SPI模式0及模式3，支持雙線全雙工，使用MSB先行模式，支持最高通訊時鐘為104MHz，數據幀長度為8位。我們要把STM32的SPI外設中的這些參數配置一致。見代碼清單 244。

代碼清單 244 配置SPI模式

1 /**

2 * @brief SPI_FLASH引腳初始化

3 * @param 無

4 * @retval 無

5 */

6 void SPI_FLASH_Init(void)

7 {

8 /*為方便講解，省略了SPI的GPIO初始化部分*/

9 //......

10

11 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

12 /* FLASH_SPI 模式配置 */

13 // FLASH芯片支持SPI模式0及模式3，據此設置CPOL CPHA

14 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;

15 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

16 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

17 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;

18 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;

19 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

20 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;

21 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

22 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

23 SPI_Init(FLASH_SPI, &SPI_InitStructure);

24

25 /* 使能 FLASH_SPI */

26 SPI_Cmd(FLASH_SPI, ENABLE);

27 }

這段代碼中，把STM32的SPI外設配置為主機端，雙線全雙工模式，數據幀長度為8位，使用SPI模式3(CPOL=1，CPHA=1)，NSS引腳由軟件控制以及MSB先行模式。最后一個成員為CRC計算式，由于我們與FLASH芯片通訊不需要CRC校驗，并沒有使能SPI的CRC功能，這時CRC計算式的成員值是無效的。

賦值結束后調用庫函數SPI_Init把這些配置寫入寄存器，并調用SPI_Cmd函數使能外設。

使用SPI發(fā)送和接收一個字節(jié)的數據

初始化好SPI外設后，就可以使用SPI通訊了，復雜的數據通訊都是由單個字節(jié)數據收發(fā)組成的，我們看看它的代碼實現，見代碼清單 245。

代碼清單 245 使用SPI發(fā)送和接收一個字節(jié)的數據

1 #define Dummy_Byte 0xFF

2 /**

3 * @brief 使用SPI發(fā)送一個字節(jié)的數據

4 * @param byte：要發(fā)送的數據

5 * @retval 返回接收到的數據

6 */

7 u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)

8 {

9 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

10

11 /* 等待發(fā)送緩沖區(qū)為空，TXE事件 */

12 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)

13 {

14 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);

15 }

16

17 /* 寫入數據寄存器，把要寫入的數據寫入發(fā)送緩沖區(qū) */

18 SPI_I2S_SendData(FLASH_SPI, byte);

19

20 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

21

22 /* 等待接收緩沖區(qū)非空，RXNE事件 */

23 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)

24 {

25 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);

26 }

27

28 /* 讀取數據寄存器，獲取接收緩沖區(qū)數據 */

29 return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);

30 }

31

32 /**

33 * @brief 使用SPI讀取一個字節(jié)的數據

34 * @param 無

35 * @retval 返回接收到的數據

36 */

37 u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)

38 {

39 return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));

40 }

SPI_FLASH_SendByte發(fā)送單字節(jié)函數中包含了等待事件的超時處理，這部分原理跟I2C中的一樣，在此不再贅述。

SPI_FLASH_SendByte函數實現了前面講解的"SPI通訊過程"：

(1)    本函數中不包含SPI起始和停止信號，只是收發(fā)的主要過程，所以在調用本函數前后要做好起始和停止信號的操作；

(2)    對SPITimeout變量賦值為宏SPIT_FLAG_TIMEOUT。這個SPITimeout變量在下面的while循環(huán)中每次循環(huán)減1，該循環(huán)通過調用庫函數SPI_I2S_GetFlagStatus檢測事件，若檢測到事件，則進入通訊的下一階段，若未檢測到事件則停留在此處一直檢測，當檢測SPIT_FLAG_TIMEOUT次都還沒等待到事件則認為通訊失敗，調用的SPI_TIMEOUT_UserCallback輸出調試信息，并退出通訊；

(3)    通過檢測TXE標志，獲取發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)，若發(fā)送緩沖區(qū)為空，則表示可能存在的上一個數據已經發(fā)送完畢；

(4)    等待至發(fā)送緩沖區(qū)為空后，調用庫函數SPI_I2S_SendData把要發(fā)送的數據"byte"寫入到SPI的數據寄存器DR，寫入SPI數據寄存器的數據會存儲到發(fā)送緩沖區(qū)，由SPI外設發(fā)送出去；

(5)    寫入完畢后等待RXNE事件，即接收緩沖區(qū)非空事件。由于SPI雙線全雙工模式下MOSI與MISO數據傳輸是同步的(請對比"SPI通訊過程"閱讀)，當接收緩沖區(qū)非空時，表示上面的數據發(fā)送完畢，且接收緩沖區(qū)也收到新的數據；

(6)    等待至接收緩沖區(qū)非空時，通過調用庫函數SPI_I2S_ReceiveData讀取SPI的數據寄存器DR，就可以獲取接收緩沖區(qū)中的新數據了。代碼中使用關鍵字"return"把接收到的這個數據作為SPI_FLASH_SendByte函數的返回值，所以我們可以看到在下面定義的SPI接收數據函數SPI_FLASH_ReadByte，它只是簡單地調用了SPI_FLASH_SendByte函數發(fā)送數據"Dummy_Byte"，然后獲取其返回值(因為不關注發(fā)送的數據，所以此時的輸入參數"Dummy_Byte"可以為任意值)。可以這樣做的原因是SPI的接收過程和發(fā)送過程實質是一樣的，收發(fā)同步進行，關鍵在于我們的上層應用中，關注的是發(fā)送還是接收的數據。

控制FLASH的指令

搞定SPI的基本收發(fā)單元后，還需要了解如何對FLASH芯片進行讀寫。FLASH芯片自定義了很多指令，我們通過控制STM32利用SPI總線向FLASH芯片發(fā)送指令，FLASH芯片收到后就會執(zhí)行相應的操作。

而這些指令，對主機端(STM32)來說，只是它遵守最基本的SPI通訊協議發(fā)送出的數據，但在設備端(FLASH芯片)把這些數據解釋成不同的意義，所以才成為指令。查看FLASH芯片的數據手冊《W25Q128》，可了解各種它定義的各種指令的功能及指令格式。

該表中的第一列為指令名，第二列為指令編碼，第三至第N列的具體內容根據指令的不同而有不同的含義。其中帶括號的字節(jié)參數，方向為FLASH向主機傳輸，即命令響應，不帶括號的則為主機向FLASH傳輸。表中"A0~A23"指FLASH芯片內部存儲器組織的地址；"M0~M7"為廠商號（MANUFACTURER ID）；"ID0-ID15"為FLASH芯片的ID；"dummy"指該處可為任意數據；"D0~D7"為FLASH內部存儲矩陣的內容。

在FLSAH芯片內部，存儲有固定的廠商編號(M7-M0)和不同類型FLASH芯片獨有的編號(ID15-ID0)，見表 245。

表 245 FLASH數據手冊的設備ID說明

通過指令表中的讀ID指令"JEDEC ID"可以獲取這兩個編號，該指令編碼為"9F h"，其中"9F h"是指16進制數"9F" (相當于C語言中的0x9F)。緊跟指令編碼的三個字節(jié)分別為FLASH芯片輸出的"(M7-M0)"、"(ID15-ID8)"及"(ID7-ID0)"。

此處我們以該指令為例，配合其指令時序圖進行講解，見圖 248。

圖 248 FLASH讀ID指令"JEDEC ID"的時序(摘自規(guī)格書《W25Q128》)

主機首先通過MOSI線向FLASH芯片發(fā)送第一個字節(jié)數據為"9F h"，當FLASH芯片收到該數據后，它會解讀成主機向它發(fā)送了"JEDEC指令"，然后它就作出該命令的響應：通過MISO線把它的廠商ID(M7-M0)及芯片類型(ID15-0)發(fā)送給主機，主機接收到指令響應后可進行校驗。常見的應用是主機端通過讀取設備ID來測試硬件是否連接正常，或用于識別設備。

對于FLASH芯片的其它指令，都是類似的，只是有的指令包含多個字節(jié)，或者響應包含更多的數據。

實際上，編寫設備驅動都是有一定的規(guī)律可循的。首先我們要確定設備使用的是什么通訊協議。如上一章的EEPROM使用的是I2C，本章的FLASH使用的是SPI。那么我們就先根據它的通訊協議，選擇好STM32的硬件模塊，并進行相應的I2C或SPI模塊初始化。接著，我們要了解目標設備的相關指令，因為不同的設備，都會有相應的不同的指令。如EEPROM中會把第一個數據解釋為內部存儲矩陣的地址(實質就是指令)。而FLASH則定義了更多的指令，有寫指令，讀指令，讀ID指令等等。最后，我們根據這些指令的格式要求，使用通訊協議向設備發(fā)送指令，達到控制設備的目標。

定義FLASH指令編碼表

為了方便使用，我們把FLASH芯片的常用指令編碼使用宏來封裝起來，后面需要發(fā)送指令編碼的時候我們直接使用這些宏即可，見代碼清單 246。

代碼清單 246 FLASH指令編碼表

1 /*FLASH常用命令*/

2 #define W25X_WriteEnable 0x06

3 #define W25X_WriteDisable 0x04

4 #define W25X_ReadStatusReg 0x05

5 #define W25X_WriteStatusReg 0x01

6 #define W25X_ReadData 0x03

7 #define W25X_FastReadData 0x0B

8 #define W25X_FastReadDual 0x3B

9 #define W25X_PageProgram 0x02

10 #define W25X_BlockErase 0xD8

11 #define W25X_SectorErase 0x20

12 #define W25X_ChipErase 0xC7

13 #define W25X_PowerDown 0xB9

14 #define W25X_ReleasePowerDown 0xAB

15 #define W25X_DeviceID 0xAB

16 #define W25X_ManufactDeviceID 0x90

17 #define W25X_JedecDeviceID 0x9F

18 /*其它*/

19 #define sFLASH_ID 0XEF4018

20 #define Dummy_Byte 0xFF

讀取FLASH芯片ID

根據"JEDEC"指令的時序，我們把讀取FLASH ID的過程編寫成一個函數，見代碼清單 247。

代碼清單 247 讀取FLASH芯片ID

1 /**

2 * @brief 讀取FLASH ID

3 * @param 無

4 * @retval FLASH ID

5 */

6 u32 SPI_FLASH_ReadID(void)

7 {

8 u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;

9

10 /* 開始通訊：CS低電平 */

11 SPI_FLASH_CS_LOW();

12

13 /* 發(fā)送JEDEC指令，讀取ID */

14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID);

15

16 /* 讀取一個字節(jié)數據 */

17 Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

18

19 /* 讀取一個字節(jié)數據 */

20 Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

21

22 /* 讀取一個字節(jié)數據 */

23 Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

24

25 /* 停止通訊：CS高電平 */

26 SPI_FLASH_CS_HIGH();

27

28 /*把數據組合起來，作為函數的返回值*/

29 Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;

30

31 return Temp;

32 }

這段代碼利用控制CS引腳電平的宏"SPI_FLASH_CS_LOW/HIGH"以及前面編寫的單字節(jié)收發(fā)函數SPI_FLASH_SendByte，很清晰地實現了"JEDEC ID"指令的時序：發(fā)送一個字節(jié)的指令編碼"W25X_JedecDeviceID"，然后讀取3個字節(jié)，獲取FLASH芯片對該指令的響應，最后把讀取到的這3個數據合并到一個變量Temp中，然后作為函數返回值，把該返回值與我們定義的宏"sFLASH_ID"對比，即可知道FLASH芯片是否正常。

FLASH寫使能以及讀取當前狀態(tài)

在向FLASH芯片存儲矩陣寫入數據前，首先要使能寫操作，通過"Write Enable"命令即可寫使能，見代碼清單 248。

代碼清單 248 寫使能命令

1 /**

2 * @brief 向FLASH發(fā)送寫使能命令

3 * @param none

4 * @retval none

5 */

6 void SPI_FLASH_WriteEnable(void)

7 {

8 /* 通訊開始：CS低 */

9 SPI_FLASH_CS_LOW();

10

11 /* 發(fā)送寫使能命令*/

12 SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable);

13

14 /*通訊結束：CS高 */

15 SPI_FLASH_CS_HIGH();

16 }

與EEPROM一樣，由于FLASH芯片向內部存儲矩陣寫入數據需要消耗一定的時間，并不是在總線通訊結束的一瞬間完成的，所以在寫操作后需要確認FLASH芯片"空閑"時才能進行再次寫入。為了表示自己的工作狀態(tài)，FLASH芯片定義了一個狀態(tài)寄存器，見圖 249。

圖 249 FLASH芯片的狀態(tài)寄存器

我們只關注這個狀態(tài)寄存器的第0位"BUSY"，當這個位為"1"時，表明FLASH芯片處于忙碌狀態(tài)，它可能正在對內部的存儲矩陣進行"擦除"或"數據寫入"的操作。

利用指令表中的"Read Status Register"指令可以獲取FLASH芯片狀態(tài)寄存器的內容，其時序見圖 2410。

圖 2410 讀取狀態(tài)寄存器的時序

只要向FLASH芯片發(fā)送了讀狀態(tài)寄存器的指令，FLASH芯片就會持續(xù)向主機返回最新的狀態(tài)寄存器內容，直到收到SPI通訊的停止信號。據此我們編寫了具有等待FLASH芯片寫入結束功能的函數，見代碼清單 249。

代碼清單 249 通過讀狀態(tài)寄存器等待FLASH芯片空閑

1 /*WIP(BUSY)標志：FLASH內部正在寫入*/

2 #define WIP_Flag 0x01

3

4 /**

5 * @brief 等待WIP(BUSY)標志被置0，即等待到FLASH內部數據寫入完畢

6 * @param none

7 * @retval none

8 */

9 void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void)

10 {

11 u8 FLASH_Status = 0;

12 /* 選擇 FLASH: CS 低 */

13 SPI_FLASH_CS_LOW();

14

15 /* 發(fā)送讀狀態(tài)寄存器命令 */

16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg);

17

18 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

19 /* 若FLASH忙碌，則等待 */

20 do

21 {

22 /* 讀取FLASH芯片的狀態(tài)寄存器 */

23 FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

24 if ((SPITimeout--) == 0)

25 {

26 SPI_TIMEOUT_UserCallback(4);

27 return;

28 }

29 }

30 while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET); /* 正在寫入標志 */

31

32 /* 停止信號 FLASH: CS 高 */

33 SPI_FLASH_CS_HIGH();

34 }

這段代碼發(fā)送讀狀態(tài)寄存器的指令編碼"W25X_ReadStatusReg"后，在while循環(huán)里持續(xù)獲取寄存器的內容并檢驗它的"WIP_Flag標志"(即BUSY位)，一直等待到該標志表示寫入結束時才退出本函數，以便繼續(xù)后面與FLASH芯片的數據通訊。

FLASH扇區(qū)擦除

由于FLASH存儲器的特性決定了它只能把原來為"1"的數據位改寫成"0"，而原來為"0"的數據位不能直接改寫為"1"。所以這里涉及到數據"擦除"的概念，在寫入前，必須要對目標存儲矩陣進行擦除操作，把矩陣中的數據位擦除為"1"，在數據寫入的時候，如果要存儲數據"1"，那就不修改存儲矩陣，在要存儲數據"0"時，才更改該位。

通常，對存儲矩陣擦除的基本操作單位都是多個字節(jié)進行，如本例子中的FLASH芯片支持"扇區(qū)擦除"、"塊擦除"以及"整片擦除"。

FLASH芯片的最小擦除單位為扇區(qū)(Sector)，而一個塊(Block)包含16個扇區(qū)，其內部存儲矩陣分布見圖 2411。。

圖 2411 FLASH芯片的存儲矩陣

使用扇區(qū)擦除指令"Sector Erase"可控制FLASH芯片開始擦寫，其指令時序見圖 2414。

圖 2412 扇區(qū)擦除時序

扇區(qū)擦除指令的第一個字節(jié)為指令編碼，緊接著發(fā)送的3個字節(jié)用于表示要擦除的存儲矩陣地址。要注意的是在扇區(qū)擦除指令前，還需要先發(fā)送"寫使能"指令，發(fā)送扇區(qū)擦除指令后，通過讀取寄存器狀態(tài)等待扇區(qū)擦除操作完畢，代碼實現見代碼清單 2410。

代碼清單 2410 擦除扇區(qū)

1 /**

2 * @brief 擦除FLASH扇區(qū)

3 * @param SectorAddr：要擦除的扇區(qū)地址

4 * @retval 無

5 */

6 void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr)

7 {

8 /* 發(fā)送FLASH寫使能命令 */

9 SPI_FLASH_WriteEnable();

10 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

11 /* 擦除扇區(qū) */

12 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

13 SPI_FLASH_CS_LOW();

14 /* 發(fā)送扇區(qū)擦除指令*/

15 SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase);

16 /*發(fā)送擦除扇區(qū)地址的高位*/

17 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);

18 /* 發(fā)送擦除扇區(qū)地址的中位 */

19 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);

20 /* 發(fā)送擦除扇區(qū)地址的低位 */

21 SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);

22 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

23 SPI_FLASH_CS_HIGH();

24 /* 等待擦除完畢*/

25 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

26 }

這段代碼調用的函數在前面都已講解，只要注意發(fā)送擦除地址時高位在前即可。調用扇區(qū)擦除指令時注意輸入的地址要對齊到4KB。

FLASH的頁寫入

目標扇區(qū)被擦除完畢后，就可以向它寫入數據了。與EEPROM類似，FLASH芯片也有頁寫入命令，使用頁寫入命令最多可以一次向FLASH傳輸256個字節(jié)的數據，我們把這個單位為頁大小。FLASH頁寫入的時序見圖 2413。

圖 2413 FLASH芯片頁寫入

從時序圖可知，第1個字節(jié)為"頁寫入指令"編碼，2-4字節(jié)為要寫入的"地址A"，接著的是要寫入的內容，最多個可以發(fā)送256字節(jié)數據，這些數據將會從"地址A"開始，按順序寫入到FLASH的存儲矩陣。若發(fā)送的數據超出256個，則會覆蓋前面發(fā)送的數據。

與擦除指令不一樣，頁寫入指令的地址并不要求按256字節(jié)對齊，只要確認目標存儲單元是擦除狀態(tài)即可(即被擦除后沒有被寫入過)。所以，若對"地址x"執(zhí)行頁寫入指令后，發(fā)送了200個字節(jié)數據后終止通訊，下一次再執(zhí)行頁寫入指令，從"地址(x+200)"開始寫入200個字節(jié)也是沒有問題的(小于256均可)。只是在實際應用中由于基本擦除單元是4KB，一般都以扇區(qū)為單位進行讀寫，想深入了解，可學習我們的"FLASH文件系統(tǒng)"相關的例子。

把頁寫入時序封裝成函數，其實現見代碼清單 2411。

代碼清單 2411 FLASH的頁寫入

1 /**

2 * @brief 對FLASH按頁寫入數據，調用本函數寫入數據前需要先擦除扇區(qū)

3 * @param pBuffer，要寫入數據的指針

4 * @param WriteAddr，寫入地址

5 * @param NumByteToWrite，寫入數據長度，必須小于等于頁大小

6 * @retval 無

7 */

8 void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

9 {

10 /* 發(fā)送FLASH寫使能命令 */

11 SPI_FLASH_WriteEnable();

12

13 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

14 SPI_FLASH_CS_LOW();

15 /* 寫送寫指令*/

16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram);

17 /*發(fā)送寫地址的高位*/

18 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);

19 /*發(fā)送寫地址的中位*/

20 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);

21 /*發(fā)送寫地址的低位*/

22 SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);

23

24 if (NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize)

25 {

26 NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;

27 FLASH_ERROR("SPI_FLASH_PageWrite too large!");

28 }

29

30 /* 寫入數據*/

31 while (NumByteToWrite--)

32 {

33 /* 發(fā)送當前要寫入的字節(jié)數據 */

34 SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);

35 /* 指向下一字節(jié)數據 */

36 pBuffer++;

37 }

38

39 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

40 SPI_FLASH_CS_HIGH();

41

42 /* 等待寫入完畢*/

43 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

44 }

這段代碼的內容為：先發(fā)送"寫使能"命令，接著才開始頁寫入時序，然后發(fā)送指令編碼、地址，再把要寫入的數據一個接一個地發(fā)送出去，發(fā)送完后結束通訊，檢查FLASH狀態(tài)寄存器，等待FLASH內部寫入結束。

不定量數據寫入

應用的時候我們常常要寫入不定量的數據，直接調用"頁寫入"函數并不是特別方便，所以我們在它的基礎上編寫了"不定量數據寫入"的函數，基實現見代碼清單 2412。

代碼清單 2412不定量數據寫入

1 /**

2 * @brief 對FLASH寫入數據，調用本函數寫入數據前需要先擦除扇區(qū)

3 * @param pBuffer，要寫入數據的指針

4 * @param WriteAddr，寫入地址

5 * @param NumByteToWrite，寫入數據長度

6 * @retval 無

7 */

8 void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

9 {

10 u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;

11

12 /*mod運算求余，若writeAddr是SPI_FLASH_PageSize整數倍，運算結果Addr值為0*/

13 Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;

14

15 /*差count個數據值，剛好可以對齊到頁地址*/

16 count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;

17 /*計算出要寫多少整數頁*/

18 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;

19 /*mod運算求余，計算出剩余不滿一頁的字節(jié)數*/

20 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

21

22 /* Addr=0,則WriteAddr 剛好按頁對齊 aligned */

23 if (Addr == 0)

24 {

25 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */

26 if (NumOfPage == 0)

27 {

28 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);

29 }

30 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */

31 {

32 /*先把整數頁都寫了*/

33 while (NumOfPage--)

34 {

35 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);

36 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;

37 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;

38 }

39

40 /*若有多余的不滿一頁的數據，把它寫完*/

41 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

42 }

43 }

44 /* 若地址與 SPI_FLASH_PageSize 不對齊 */

45 else

46 {

47 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */

48 if (NumOfPage == 0)

49 {

50 /*當前頁剩余的count個位置比NumOfSingle小，寫不完*/

51 if (NumOfSingle > count)

52 {

53 temp = NumOfSingle - count;

54

55 /*先寫滿當前頁*/

56 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);

57 WriteAddr += count;

58 pBuffer += count;

59

60 /*再寫剩余的數據*/

61 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);

62 }

63 else /*當前頁剩余的count個位置能寫完NumOfSingle個數據*/

64 {

65 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);

66 }

67 }

68 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */

69 {

70 /*地址不對齊多出的count分開處理，不加入這個運算*/

71 NumByteToWrite -= count;

72 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;

73 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

74

75 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);

76 WriteAddr += count;

77 pBuffer += count;

78

79 /*把整數頁都寫了*/

80 while (NumOfPage--)

81 {

82 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);

83 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;

84 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;

85 }

86 /*若有多余的不滿一頁的數據，把它寫完*/

87 if (NumOfSingle != 0)

88 {

89 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

90 }

91 }

92 }

93 }

這段代碼與EEPROM章節(jié)中的"快速寫入多字節(jié)"函數原理是一樣的，運算過程在此不再贅述。區(qū)別是頁的大小以及實際數據寫入的時候，使用的是針對FLASH芯片的頁寫入函數，且在實際調用這個"不定量數據寫入"函數時，還要注意確保目標扇區(qū)處于擦除狀態(tài)。

從FLASH讀取數據

相對于寫入，FLASH芯片的數據讀取要簡單得多，使用讀取指令"Read Data"即可，其指令時序見圖 2414。

圖 2414 SPI FLASH讀取數據時序

發(fā)送了指令編碼及要讀的起始地址后，FLASH芯片就會按地址遞增的方式返回存儲矩陣的內容，讀取的數據量沒有限制，只要沒有停止通訊，FLASH芯片就會一直返回數據。代碼實現見代碼清單 2413。

代碼清單 2413 從FLASH讀取數據

1 /**

2 * @brief 讀取FLASH數據

3 * @param pBuffer，存儲讀出數據的指針

4 * @param ReadAddr，讀取地址

5 * @param NumByteToRead，讀取數據長度

6 * @retval 無

7 */

8 void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)

9 {

10 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

11 SPI_FLASH_CS_LOW();

12

13 /* 發(fā)送讀指令 */

14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData);

15

16 /* 發(fā)送讀地址高位 */

17 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);

18 /* 發(fā)送讀地址中位 */

19 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr& 0xFF00) >> 8);

20 /* 發(fā)送讀地址低位 */

21 SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);

22

23 /* 讀取數據 */

24 while (NumByteToRead--)

25 {

26 /* 讀取一個字節(jié)*/

27 *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

28 /* 指向下一個字節(jié)緩沖區(qū) */

29 pBuffer++;

30 }

31

32 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

33 SPI_FLASH_CS_HIGH();

34 }

由于讀取的數據量沒有限制，所以發(fā)送讀命令后一直接收NumByteToRead個數據到結束即可。

3.    main函數

最后我們來編寫main函數，進行FLASH芯片讀寫校驗，見代碼清單 2414。

代碼清單 2414 main函數

1 /* 獲取緩沖區(qū)的長度 */

2 #define TxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)

3 #define RxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)

4 #define countof(a) (sizeof(a) / sizeof(*(a)))

5 #define BufferSize (countof(Tx_Buffer)-1)

6

7 #define FLASH_WriteAddress 0x00000

8 #define FLASH_ReadAddress FLASH_WriteAddress

9 #define FLASH_SectorToErase FLASH_WriteAddress

10

11

12 /* 發(fā)送緩沖區(qū)初始化 */

13 uint8_t Tx_Buffer[] = "感謝您選用秉火stm32開發(fā)板\r\n";

14 uint8_t Rx_Buffer[BufferSize];

15

16 //讀取的ID存儲位置

17 __IO uint32_t DeviceID = 0;

18 __IO uint32_t FlashID = 0;

19 __IO TestStatus TransferStatus1 = FAILED;

20

21 // 函數原型聲明

22 void Delay(__IO uint32_t nCount);

23

24 /*

25 * 函數名：main

26 * 描述：主函數

27 * 輸入：無

28 * 輸出：無

29 */

30 int main(void)

31 {

32 LED_GPIO_Config();

33 LED_BLUE;

34

35 /* 配置串口1為：115200 8-N-1 */

36 Debug_USART_Config();

37

38 printf("\r\n這是一個16M串行flash(W25Q128)實驗 \r\n");

39

40 /* 16M串行flash W25Q128初始化 */

41 SPI_FLASH_Init();

42

43 Delay( 200 );

44

45 /* 獲取 SPI Flash ID */

46 FlashID = SPI_FLASH_ReadID();

47

48 /* 檢驗 SPI Flash ID */

49 if (FlashID == sFLASH_ID)

50 {

51 printf("\r\n檢測到SPI FLASH W25Q128 !\r\n");

52

53 /* 擦除將要寫入的 SPI FLASH 扇區(qū)，FLASH寫入前要先擦除 */

54 SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);

55

56 /* 將發(fā)送緩沖區(qū)的數據寫到flash中 */

57 SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize);

58 printf("\r\n寫入的數據為：\r\n%s", Tx_Buffer);

59

60 /* 將剛剛寫入的數據讀出來放到接收緩沖區(qū)中 */

61 SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);

62 printf("\r\n讀出的數據為：\r\n%s", Rx_Buffer);

63

64 /* 檢查寫入的數據與讀出的數據是否相等 */

65 TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);

66

67 if ( PASSED == TransferStatus1 )

68 {

69 LED_GREEN;

70 printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)測試成功!\n\r");

71 }

72 else

73 {

74 LED_RED;

75 printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)測試失敗!\n\r");

76 }

77 }// if (FlashID == sFLASH_ID)

78 else

79 {

80 LED_RED;

81 printf("\r\n獲取不到 W25Q128 ID!\n\r");

82 }

83

84 SPI_Flash_PowerDown();

85 while (1);

86 }

函數中初始化了LED、串口、SPI外設，然后讀取FLASH芯片的ID進行校驗，若ID校驗通過則向FLASH的特定地址寫入測試數據，然后再從該地址讀取數據，測試讀寫是否正常。

注意：

由于實驗板上的FLASH芯片默認已經存儲了特定用途的數據，如擦除了這些數據會影響到某些程序的運行。所以我們預留了FLASH芯片的"第0扇區(qū)(0-4096地址)"專用于本實驗，如非必要，請勿擦除其它地址的內容。如已擦除，可在配套資料里找到"刷外部FLASH內容"程序，根據其說明給FLASH重新寫入出廠內容。

24.4.3 下載驗證

用USB線連接開發(fā)板"USB TO UART"接口跟電腦，在電腦端打開串口調試助手，把編譯好的程序下載到開發(fā)板。在串口調試助手可看到FLASH測試的調試信息。

24.5 每課一問

1.    在SPI外設初始化部分，MISO引腳可以設置為輸入模式嗎？為什么？實際測試現象如何？

2.    嘗試使用FLASH芯片存儲int整型變量，float型浮點變量，編寫程序寫入數據，并讀出校驗。

3.    如果扇區(qū)未經擦除就寫入，會有什么后果？請做實驗驗證。

4.    簡述FLASH存儲器與EEPROM存儲器的區(qū)別。