HAL库STM32常用外设教程（八）—— SPI （读写W25Q128）

2024-06-08 1444阅读

文章目录

前言
一、SPI 接口和通讯协议

1.1 什么是SPI
1.2 SPI 的引脚信息
1.3 SPI 的工作原理(了解即可)
1.4 SPI 传输协议
1.5 STM32F407的SPI接口
二、SPI 的HAL库驱动程序

2.1 SPI 寄存器操作的宏函数
2.2 SPI 初始化和阻塞器数据传输

2.2.1 SPI 接口初始化
2.2.2 阻塞式数据发送和接收
2.3 中断方式发送数据
2.4 DMA方式数据传输
三、Flash存储芯片 W25Q128

3.1 硬件接口和连接
3.2 存储空间划分
3.3 数据读写的原则
3.4 操作指令

3.4.1 "写使能"指令
3.4.2 “读数据”指令
3.4.3 “写数据”指令
3.5 状态寄存器
四、示例：轮询方式读写W25Q128

4.1 实例功能
4.2 CubeMX配置

4.2.1 SPI1的CubeMx设置
4.2.2 其余GPIO引脚的配置
4.3 程序设计

4.3.1 SPI1初始化
4.3.3 W25Q128的驱动程序
4.3 W25Q128的功能描述

4.3.1 主程序
4.3.1 W25Q128功能测试函数的实现
4.4 示例结果

五、总结

前言

一、SPI 接口和通讯协议

1.1 什么是SPI

串行外设接口（Serial Peripheral Interface,SPI）是一种传输速率比较高的串行接口，一些ADC芯片、Flash存储器芯片采用SPI接口，MCU通过SPI接口与这些外围器件通信。

1.2 SPI 的引脚信息

SPI接口的设置分为主设备（Master)和从设备（Slave），一个主设备可以连接一个或多个从设备。SPI通信的连接方式如图1-1 所示，SPI的主设备也可以称为主机，从设备也可称为从机。

图1-1 SPI通信的连接方式

SP接口有3个基本信号，功能表述如下：

（1）MOSI（Master Output Slave Input），主设备输出/从设备输入信号。MOSI是主设备的串行数据输出，SI是从设备的串行数据输入，主设备和从设备的这两个信号相连。

（2）MISO（Master Iuput Slave Output），主设备输入/从设备输出信号,MI是主设备的串行数据输入，SO是从设备的串行数据输出，主设备和从设备的这两个信号连接。

（3）SCK，串行时钟信号。时钟信号总是由主设备产生。

除了这3个必需的信号，从设备还有一个从设备选择信号CS（Chip Select；也称NSS位，Slave Select），用于选择与主设备进行通信的特定从设备。低电平表示选中从设备，高电平表示未选中。当一个SPI通信网络里有多个SPI从设备时（如图1-1），主设备就通过控制各个从设备的CS信号来保证同一时刻只能一个SPI从设备在线通信，未被选中的SPI从设备的接口引脚是高阻态。SPI主设备可以使用普通的GPIO输出引脚连接从设备的CS引脚，控制从设备的片选信号。

1.3 SPI 的工作原理(了解即可)

在主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。串行移位寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。

图1-2 SPI通信原理

图1-3 SPI结构框图

1.4 SPI 传输协议

SPI数据传输是在时钟信号SCK驱动下的串行数据传输，SPI的传输协议定义了SPI通信的起始信号、结束信号、数据有效性时钟同步等环节。SPI每次传输的数据帧长度是8位或16位，一般是最高有效位（Most Significant Bit,MSB）先行。

SPI通信有四种时序，由SPI控制寄存器SPI_CR1中的CPOL位和CPOA位控制。

CPHL（Clock Polarity）时钟极性，控制SCK引脚在空闲状态的电平。如果CPOL为0，则空闲时SCK为低电平；如果CPOL为1，则空闲时SCK为高电平。

CPHA（Clock Phase）时钟相位。如果CPHA为0，则在SCK的第一个边沿对数据采样；如果CPHA为1，则在CSK的第二个边沿对数据采样。

表1-1 SPI的4种时序模式

SPI时序模式	CPOL时钟极性	CPHA时钟相位	空闲时SCK电平	采样时刻
模式0	0	0	低电平	第1个跳变沿
模式1	0	1	低电平	第2个跳变沿
模式2	1	0	高电平	第1个跳变沿
模式3	1	1	高电平	第2个跳变沿

图1-4所示的是CPHA为0时的数据传输时序图。NSS位从高变低是数据传输的起始信号，NSS从低变高是数据数据传输的结束信号，图中是MSB先行的方式。

图1-4 CPHA为0时的数据传输时序图

CPHA设置为0表示在SCK的第一个边沿读取数据，读取数据的时刻（捕获选通时刻）就是图1-4中虚线表示的时刻。根据CPOL的取值不同，读取数据的时刻发生在SCK的下跳沿（CPOL为1）时刻或上跳沿（CPOL为0）时刻。MISO、MOSI上的数据是在读取数据的SCK前一个跳变沿时刻发生变化的。

图1-5所示的是CPHA为1时的数据传输时序图。CPHA为1表示在SCK的第2个边沿读取数据。也就是图1-5中虚线表示的时刻。根据CPOL的取值不同，读取数据的时刻发生在SCK上跳沿（CPOL为1）时刻或下跳沿（CPOL为0）时刻。MISO、MOSI上的数据是在读取数据的SCK前一个跳变沿时刻发生的。

图1-5 CPHA为1时的数据传输时序图

在使用SPI接口通信时，主设备和从设备的SPI时序一定要一致，否则无法正常通信，由CPOL和CPOA的不同组合构成了4种SPI时序模式，如表1-1所示。如果使用硬件SPI接口，只需要设置正确的SPI时序模式，底层的通信时序由SPI硬件处理。有时候需要用普通GPIO引脚模拟SPI接口，这称为软件模拟SPI结接口。

1.5 STM32F407的SPI接口

STM32F407新芯片上有3个硬件SPI接口，除了支持SPI通信协议，还支持I2S音频协议。STM32F407的SPI接口有如下的特性。

数据帧长度可选择8位或16位。
可设置为主模式或从模式。
SPI支持全双工通信。
可设置8种预分频值用于产生通信波频率，波特率最高位为SPI所在APB总线的频率的二分之一。STM32F407上的SPI1在APB2总线上，SPI2和SPI3在APB1总线上。
可设置时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA），也就是4种SPI时序模式都支持。
可设置MSB先行（Most Significant Bit，高位先行：首先发送数据最高位，依次发送到最低位）或LSB先行（Least Significant Bit，低位先行：先发送数据的最低位，然后依次发送到最高位）。一般会采用MSR（高位先行）的模式。
可以使用硬件CRC效验。
可触发中断的主模式故障、上溢和CRC错误标志。

发送和接收具有独立的DMA请求，DMA传输具有1字节发送和接收缓冲区。

MCU的SPI接口实现了SPI硬件通信协议，也就是保证数据帧的正确接收和发送，如同UART接口实现底层数据帧的收发一样。SPI主设备和从设备之间具体的通信内容则需要两者之间规定通信协议，如同串口设备之间的通信协议一样。

补充：全双工、单工以及半双工传输方式的理解

（1）全双工（Full Duplex）：在全双工模式下，主设备和从设备可以同时进行数据的发送和接收。主设备通过MOSI线发送数据给从设备，并通过MISO线接收从设备返回的数据。这种模式允许双向传输，在同一时钟周期内可以同时进行发送和接收操作，如PI。

（2）半双工（Half Duplex）：在半双工模式下，主设备和从设备交替进行数据的发送和接收。通信双方不能同时发送和接收数据，而是通过切换发送和接收模式来实现双向传输。在每次通信中，首先主设备发送数据给从设备，然后切换为接收模式，从设备发送数据给主设备，如UART、I2C、CAN。

（3）单工（Simplex）：在单工模式下，数据只能在一个方向上进行传输。通常情况下，SPI总线用于双向通信，因此单工模式在SPI中并不常见。

二、SPI 的HAL库驱动程序

2.1 SPI 寄存器操作的宏函数

SPI的驱动程序头文件是 stm32f4xx_hal_spi.h。SPI寄存器操作的宏函数如表2-1所示，宏函数中的参数_HANDLE_是具体某个SPI接口的对象指针，参数 _ INTERRUPT_ 是SPI的中断事件类型，参数_FLAG_是时间中断标志。

表2-1 SPI寄存器操作的宏函数

函数名	功能描述
__HAL_SPI_DISABLE( __ HANDLE __)	禁用某个SPI接口
__ HAL_SPI_ENABLE(__ HANDLE __)	启用某个SPI接口
__ HAL_SPI_DISABLE_IT ( __ HANDLE__, __ INTERRUPT __ ) ）	禁用某个中断事件源，不允许事件产生硬件中断
__ HAL_SPI_ENABLE_IT(__ HANDLE __, __ INTERRUPT __ ）	开启某个中断事件源，允许事件产生硬件中断
__ HAL_SPI_GET_IT_SOURCE(__ HANDLE __, __ INTERRUPT __ )	检查某个中断事件源是否被允许产生硬件中断
__ HAL_SPI_GET_FLAG (__ HANDLE__, __ FLAG __ )	获取某个事件的中断标志，检查事件是否发生
__ HAL_SPI_CLEAR_CRCERRFLAG(__ HANDLE __)	清除CRC校验错误中断标志
__ HAL_SPI_CLEAR_FREFLAG( __ HANDLE__)	清除主模式故障中断标志
__ HAL_SPI_CLEAR_MODFFLAG(__ HANDLE __) ）	清除主模式故障中断标志
__ HAL_SPI_CLEAR_OVRFLAG(__ HANDLE__) ）	清除溢出错误中断标志

2.2 SPI 初始化和阻塞器数据传输

SPI 接口初始化、状态查询和阻塞式数据传输的函数列表如表2-2所示。

表2-2 SPI接口初始化和阻塞式数据传输相关函数

函数名	功能描述
HAL_SPI_Init（）	SPI初始化，配置SPI接口函数
HAL_SPI_MspInit（）	SPI的MSP初始化函数，重新实现时一般用于SPI接口引脚GPIO初始化和中断设置
HAL_SPI_GetState（）	返回SPI接口当前状态，返回值是枚举类型SPI_HandleTypeDef
HAL_SPI_GetError（）	返回SPI接口最后的错误码，错误码有一组宏定义
HAL_SPI_Transmit（）	阻塞式发送一个缓冲区的数据
HAL_SPI_Receive（）	阻塞式接收指定长度的数据保存到缓冲区
HAL_SPI_TransmitReceive（）	阻塞式同时发送和接收一定长度的数据

2.2.1 SPI 接口初始化

函数 HAL_SPI_Init() 用于具体某个SPI接口的初始化，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi);

其中，参数hspi是SPI外设对象指针。hspi->Init是SPI_HandleTypeDef 结构体类型，存储了SPI接口的通信参数。

2.2.2 阻塞式数据发送和接收

SPI是一种主/行通信方式，通信完全由SPI主机控制，因为SPI主机控制了时钟信号SCK。SPI主机与从机之间一般是应答式通信，主机先用函数 HAL_SPI_Transmit() 在MOSI线上发送指令或数据，忽略MISO线上传入的数据；从机接收指令或数据后会返回响应数据，主机通过函数 HAL_SPI_Receive() 在MISO线上接收响应数据，接收时不会在MOSI线上发送有效数据。

函数 HAL_SPI_Transmit() 用于发送数据，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

其中，参数hspi是SPI外设对象指针，pData是输出数据缓冲区指针；Size是缓冲区数据的字节数，Timeout是超时等待时间，单位是系统滴答信号节拍数，默认情况下就是ms。函数 HAL_SPI_Transmit() 是阻塞式执行的，也就直到数据发送完成或超时时间后才返回。函数HAL_OK表示发送成功，返回HAL_TIMOUT表示发送超时。

函数 HAL_SPI_Receive() 用于从SPI接口接收数据，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

其中，参数pData是接收数据缓冲区，Size是要接收的字节数，Timeout是超时等待时间。

2.3 中断方式发送数据

SPI接口能以中断的方式传输数据，是非阻塞数据传输。中断方式数据传输的相关函数、产生的中断事件类型、对应的中断回调函数等如表2-3所示。中断事件类型用中断事件使能控制位的宏定义表示。

表2-3 SPI中断方式数据传输相关函数

函数名	功能描述	产生的中断事件类型	对应的回调函数
HAL_SPI_Transmit_IT（）	中断方式发送一个缓冲区的数据	SPI_IT_TXE	HAL_SPI_TxCpltCallback()
HAL_SPI_Receive_IT（）	中断方式节后指定长度的数据保存到缓冲区	SPI_IT_RXNE	HAL_SPI_RxCpltCallback()
HAL_SPI_TransmitReceive_IT（）	中断方式接收指定长度的数据保存到缓冲区	SPI_IT_TXE和SPI_IT_RXN	HAL_SPI_TxRxCpltCallback()
前三个中断方式传输函数	前3个中断模式传输函数都可能产生SPI_IT_ERR中断事件	SPI_IT_ERR	HAL_SPI_ErrorCallback()
HAL_SPI_IRQHandler（）	SPI中断ISR里调用的通道处理函数	——	——
HAL_SPI_Abort（）	取消非阻塞式数据传输，本函数以阻塞模式运行	——	——
HAL_SPI_Abort_IT（）	取消非阻塞式数据传输，本函数以阻塞模式运行	——	HAL_SPI_AbortCpltCallback（）

HAL_SPI_Transmit_IT() 用于发送一个缓冲区的数据，发送完成后，会产生发送完成中断事件（SPI_IT_TXE）,对应的回调函数是HAL_SPI_TxCpltCallback（） 。

函数HAL_SPI_Receive_IT（） 用于接收指定长度的数据保存到缓冲区，接收完成后，会产生接收完成中断事件（SPI_IT_RXNE），对应的回调函数是HAL_SPI_RxCpltCallback（） 。

函数HAL_SPI_TransmitReceive_IT（） 是发送和接收同时进行，由它启动的数据传输会产生 SPI_IT_TXE 和 SPI_IT_RXN 中断事件，但是有专门的回调函数HAL_SPI_TxRxCpltCallback() 。

上面3个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData,uint16_t Size);

上面的3个函数都是非阻塞式的，函数返回HAL_OK只是表示函数操作成功，并不表示数据传输完成，只有对应的回调函数被调用才表明数据传输完成。

函数HAL_SPI_AbortCpltCallback()是SPI中断ISR里调用的通用处理函数，它会根据中断事件类型调用相应的回调函数。在SPI的HAL驱动程序中。回调函数是用SPI外设对象变量的函数指针重定向的，在启动传输的函数里，为回调函数指针赋值，使用时只需要了解表2-3的对应关系即可。

函数HAL_SPI_Abort() 用于取消非阻塞数据传输过程，包括中断方式和DMA方式，这个函数自身以阻塞模式运行。

函数HAL_SPI_Abort_IT() 用于取消非阻塞式数据传输过程，包括中断方式和DMA方式，这个函数自身以中断模式运行，所以有回调函数HAL_SPI_AbortCpltCallback() 。

2.4 DMA方式数据传输

SPI的发送和接收有各自的DMA请求，能以DMA方式进行数据的发送发送和接收。DMA方式传输时需要触发DMA流的中断事件，主要有DMA传输完成中断事件。SPI的DMA方式数据传输的相关函数如表2-4 所示。DMA流的中断事件的宏定义可查。

表2-4 SPI的DMA方式数据传输的系相关函数

DMA方式功能函数	函数功能	DMA流中断事件	对应的回调函数
HAL_SPI_Transmit_DMA（）	DMA方式发送数据	DMA传输完成	HAL_SPI_TxCpltCallback()
HAL_SPI_Transmit_DMA（）	DMA方式发送数据	DMA传输半完成	HAL_SPI_TxHalfCpltCallback()
HAL_SPI_Receive_DMA（）	DMA方式接收数据	DMA传输完成	HAL_SPI_RxCpltCallback()
HAL_SPI_Receive_DMA（）	DMA方式接收数据	DMA传输半完成	HAL_SPI_RxHalfCpltCallback()
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA（）	DMA方式发送/接收数据	DMA传输完成	HAL_SPI_TxRxCpltCallback()
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA（）	DMA方式发送/接收数据	DMA传输半完成	HAL_SPI_TxRxHalfCpltCallback()
前3个DMA方式传输函数	（）	DMA传输错误中断事件	DMA传输错误

启动DMA方式发送和接收数据的两个函数的原型分别定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size);

其中，hspi是SPI外设对象指针，pData是用于DMA数据发送或接收的数据缓冲区指针，Size是缓冲区的大小，因为SPI接口传输的基本数据单位是字节，所以缓冲区元素类型是uint8_t，缓冲区大小的单位是字节。

三、Flash存储芯片 W25Q128

为了进一步的了解SPI通信的原理，我们通过一款SPI通信的Flash存储芯片来进行实验。Flash 是常见的用于存储数据的半导体器件，它具有容量大、可重复擦写、按“扇区/块” 擦除、掉电后数据可继续保存的特性。常见的 Flash 主要有 NOR Flash 和 Nand Flash 两种类型，它们的特性如表3-1所示。 NOR 和 NAND 是两种数字门电路，可以简单地认为 Flash 内部存储单元使用哪种门作存储单元就是哪类型的 Flash。

表3-1 NOR Flash和Nand Flash对比

特性	NOR FLASH	NAND FLASH
容量	较小	较大
同容量存储器成本	较贵	较便宜
擦除单元	以“扇区/块”擦除	以“扇区/块”擦除
读写单元	可以基于字节读写	必须以“块”为单位读写
读取速度	较高	较低
写入速度	较低	较高
集成度	较低	较高
介质类型	随机存储	连续存储
地址线和数据线	独立分开	共用
坏块	较少	较多
是否支持XIP	支持	不支持
应用举例	25Qxx、程序ROM	EMMC、SSD、U盘等

3.1 硬件接口和连接

W25Q128是一个Flash存储芯片，容量为128Mbit（位），也就是16MB（字节）。W25Q128支持标准SPI，还支持Dual/Qual SPI。若W25Q128工作于Dual/Qual SPI通信模式，需要连接的MCU也支持Dual/Qual SPI通信。具有QUADSPI接口的MCU才支持Dual/Qual SPI通信，如STM32F214、STM32F469等。

STM32F407只有标准SPI接口，不支持Dual/Qual SPI通信通信。开发板上有一个W25Q128芯片，通过标准SPI接口与STM32F407的SPI1接口连接，电路如图3-1。

图3-1 W25Q128电路

W25Q128的各个引脚的功能描述如下

SO、SI、CLK这3个SPI引脚与MCU的SPI1接口的相应引脚连接，占用PB4、PB5、PB3 引脚。
片选信号CS与MCU的PB14连接，由MCU通过GPIO引脚PB14的输出控制W25Q128的片选状态。
WP是写保护设置引脚，WP为低电平时，禁止修改内部的状态寄存器，与状态寄存器的一些位配合使用，可以对内部的一些存储区域进行写保护。电路中将WP接高电平，也就是不使用此写保护信号。

HOLD是硬件保持信号引脚，当器件被选中时，如果HOLD输入为低电平，那么DO引脚变为高组态，DI和CLK的输入被忽略。当HOLE引脚输入高电平时，SPI的操作又继续。这里将HOLD引脚接电源，就是不使用保持功能。

W25Q128支持SPI模式0和模式3。在MCU与W25Q128通信时，设置使用SPI1模式3，即设置CPOL = 1,CPOA = 1。

开发板上的W25Q128与STM32F407的SPI1连接，因为SPI1接口要用到PB4、PB5、PB3引脚，而5线的JTAG接口要用到PB3、PB4，所以在使用SPI1接口时，系统的Dubug接口不能设置为JTAG接口，只能设置为SW接口，所以，为避免出现错误，在程序中所有例程都用的SW调试接口。

注：

Flash 也有对应的缺点，我们在使用过程中需要尽量去规避这些问题：一是 Flash 的使用寿命，另一个是可能的位反转。使用寿命体现在：读写上是 FLASH 的擦除次数都是有限的(NOR Flash 普遍是 10 万次左右)，当它的使用接近寿命的时候，可能会出现写操作失败。由于 NAND 通常是整块擦写，块内有一位失效整个块就会失效，这被称为坏块。使用 NAND Flash 最好通过算法扫描介质找出坏块并标记为不可用，因为坏块上的数据是不准确的。位反转是数据位写入时为 1，但经过一定时间的环境变化后可能实际变为 0 的情况，反之亦然。位反转的原因很多，可能是器件特性也可能与环境、干扰有关。

3.2 存储空间划分

W25Q128总容量为16MB，使用24位地址线，地址范围为0x000 000 ~0xFFF FFF。

16MB分为256个块（Block），每个块的大小为64KB，16位偏移地址，快内偏移地址范围是0x0000~0XFFFF。

每个块又分为16个扇区（Sector），共4096个扇区，每个扇区的大小为4KB，12位偏移地址，扇区内偏移地址的范围是0x000~0xFFF。

每个扇区又分为16个页（Page）,共65536个页，每个页的大小为256个字节，8位偏移地址，页内偏移地址范围是0x00~0xFF。

图3-2 存储空间划分

3.3 数据读写的原则

从W25Q128读取数据时，用户可以从任意地址开始读取任意长度的数据。从W25Q128写数据时，用户可以从任意地址开始写数据，但是一次SPI通信写入的数据范围不能超过一个页的边界。所以，如果从页的起始地址开始写数据，一次最多可写入一个页的数据，即256个字节。如果一次写入的数据超过页的边界，会再从页的起始位置开始写。

向存储区域写入数据时，存储区域必须是被擦除过的，也就是存储内容是0xFF，否则写入的数据操作无效。用户可以对整个器件、某个块、某个扇区进行擦除操作，但是不能对单个页进行擦除。

3.4 操作指令

SPI的硬件层和传输协议只是规定了传输一个数据帧的方法，对于具体的SPI期间的操作由器件规定的操作指令实现。W25Q128制定了很多的操作指令，用以实现各种功能。

W25Q128的操作指令由一字节或多字节组成，指令的第一个字节是指令码，其后跟随的是指令的参数或返回的数据。W25Q128常用的几个指令如表3-1所示，其全部指令和详细解释见W25Q128的数据手册。表3-1 中用括号表示的部分表示返回的数据，A23~A0是24位的全局地址，dummy表示必须发送的无效字节数据，一般发送0x00。

表3-1 W25Q128常用指令

指令名称	BYTE1指令码	BYTE2	BYTE3	BYTE4	BYTE5	BYTE6
写使能	0x06	——	——	——	——	——
读状态寄存器1	0x05	(S7~S0)	——	——	——	——
读状态寄存器2	0x35	(S15~S8)	——	——	——	——
读厂家和设备ID	0x90	dummy	dummy	0x00	（MF7~MF0）	(ID7~ID0)
读64位序列号	0x4B	dummy	dummy	dummy	dummy	（ID63 ~ ID0）
器件擦除	0xC7/0x60	——	——	——	——	——
块擦除	0xD8	A23~A16	A15~A8	A7~A0	——	——
扇区擦除	0x20	A23~A16	A15~A8	A7~A0	——	——
写数据（页编程）	0x02	A23~A16	A15~A8	A7~A0	D7~D0	——
读数据	0x03	A23~A16	A15~A8	A7~A0	(D7~D0)	——
快速读数据	0x0B	A23~A16	A15~A8	A7~A0	dummy	(D7~D0)

下面以几个指令为例，说明指令传输的过程，以及返回数据的读取等原理。

3.4.1 "写使能"指令

“写使能”指令（指令码0x06）只有一个指令码，其传输过程如图3-1所示，一个指令总是从片选信号CS由高变低的跳变开始，片选信号CS由低变高的跳变中结束。

图3-1 单字节“写使能”指令的时序

CS变为低电平后，MCU向W25Q128传输1字节数据0x06，然后结束SPI传输即可。W25Q128接收数据后，根据指令码判断指令类型，并进行相应的处理。“写使能”指令是将状态寄存器1的WEL位设置为1，在擦除芯片、擦除扇区等操作前必须执行“写使能”指令。

无返回数据的指令的操作都有此类似，就是连续将指令码、指令参数发送给W25Q128即可。

3.4.2 “读数据”指令

“读数据”指令（指令码0x03）运用从某个地址开始读取一定个数的字节数据，其中时序如图3-2所示。地址A23~A0是24位全局地址，分为3个字节，在发送指令码0x03后，再发送3个字节的地址数据。然后MCU开始从DO线上读取数据，一次读取一个字节，可以连续读取，W25Q128会自动返回下一个地址的数据。

图3-2 “读数据”指令的时序

3.4.3 “写数据”指令

“ 写数据 ” 指令（指令码0x02）就是数据手册上的“页编程”指令，用于向任意地址写入一定长度的数据。“写数据”指令的时序如图3-3所示，图中是向一个页一次写入256个字节的数据。一个页的容量是256字节，写数据操作操作一次最多写256字节。如果数据长度超过256个字节，会从页的起始位置开始继续写。

图3-3 “写数据”指令的时序

“写数据”指令的起始地址可以是任意地址，数据长度也可以小于256，但如果写的过程中地址超过页的边界，就会从页的起始地址开始继续写。写数据操作的存储单元必须是被擦除过的，也就是内容是0xFF。如果存储单元的内容不是0xFF，那么重新写入数据无效。所以，已经写过的存储区域是不能重复写入的，需要擦除后才能再次写入。

3.5 状态寄存器

W125Q128有3个状态寄存器（status register）,用于对器件的一些参数进行配置，或返回器件的当前状态信息。下面是W25Q128的状态寄存器SR1，其各个位的定义见表

表3-2 状态寄存器SR1各个位的定义

位编号	位名称	功能说明	存储特性	读/写特性
S7	SRP0	状态寄存器保护位0	非易失	可写
S6	SEC	扇区保护	非易失	可写
S5	TB	顶/底保护	非易失	可写
S4	BP2	块保护2	非易失	可写
S3	BP1	快保护1	非易失	可写
S2	BP0	快保护0	非易失	可写
S1	WEL	写使能锁存	易失	可写
S0	BUSY	有正在进行的擦除或写操作	易失	只读

通过读状态寄存器SR1的指令（指令码0x05）,我们可以读取SR1的内容。状态寄存器中的某些位是可写的，是指可以通过写状态寄存器的指令修改这些位的内容；这些位是非易失的，是指修改的内容可永久保存，掉电也不会丢失。

SR1中有2个位在编程中经常用到：WEL位与BUSY位。

写使能锁存（Write Enable Latch，WEL）位是只读的。器件上电后，WEL位是0。只有当WEL位是1时，才能进行擦除芯片、擦除扇区、页编程操作。这些操作执行完后，WEL位自动变为0。只有执行“写操作”指令（指令码0x06）后，WEL位才变1。所以，在进行擦除芯片、擦除扇区、页编程等操作之前，“写使能”指令是必须先执行的。

BUSY位是只读的，表示器件是否处于忙的状态。如果BUSY位是1，表示器件正在执行页编程、扇区擦除、器件擦除等操作。此时，除了“读状态寄存器”指令和“擦除/编程挂起”指令，器件会忽略其他任何指令。当正在执行的页编程、擦除等指令执行完成以后，BUSY位自动变为0，这意味着可以继续执行其他指令了。

四、示例：轮询方式读写W25Q128

4.1 实例功能

开发板上的W25Q128芯片的电路如图1-1所示，与STM32F407的SPI1接口连接，占用PB3、PB4、PB5引脚，W25Q128的片选信号CS与MCU的PB14连接。在本示例中，会根据这个接口电路，为W25Q128编写常用操作的驱动程序，并且测试轮询方式读写W25Q128。示例功能与操作流程如下。

使用SPI1接口读写SPI1接口读写Flash存储器W25Q128。
使用阻塞模式SPI传输函数编写W25Q128常用功能的驱动程序。

通过模拟菜单测试擦除整个芯片、擦除块、写入数据和读取数据等操作。

4.2 CubeMX配置

4.2.1 SPI1的CubeMx设置

SPI的模式和参数设置界面如图4-1所示。SPI的模式设置只有两个参数，用于设置SPI1的工作模式和硬件NSS信号。

图4-1 SPI1的模式和参数设置

（1）Mode，工作模式。有多种工作模式可选：作为主机时，一般选择为Full-Duplex Master（全双工主机）；作为从机时，一般选择为Full-Duplex Slave（全双工从机）。所谓全双工（Full-Duplex），是指使用MISO线和MOSI线可以同时接收和发送，相应的还有Half-Duplex（半双工），就是只使用一根数据线，这根数据线既可以发送有可接收，但是需要分时使用发送和接收功能。在本例中，MCU作为主机，并且有MISO和MOSI两根串行信号线，所以选择Full-Duplex。

（2）Hardware NSS Output Singal ，硬件NSS信号。有3种选项，"Disable"选项表示不使用硬件NSS信号，而是使用软件方式控制NSS信号；Hardware NSS Intput Signal表示硬件NSS输入信号，Hardware Output Single表示硬件NSS输出信号，SPI主机输出片选信号时选择此选项。本示例用一个单独的GPIO引脚PB14作为主机的片选信号，所以设置为Disable。

SPI1的参数设置为3组，这些参数的设置应该与W25Q128的SPI通信参数对应。W25Q128的SPI通信使用8位数据，MSB先行，支持SPI0和SPI3。

（1）Basic Parameters组，基本参数。

① Frame Format，帧格式。有Motorola和TI两个选项。但只能选Motorla。这个参数对应控制控制寄存器SPI_CR2的FRF位。

"Motorola"选项表示使用Motorola SPI帧格式。在Motorola SPI帧格式中，数据传输是以两个时钟边沿进行的，其中一个时钟边沿用于数据采样，另一个时钟边沿用于数据传输。数据的有效位数可以在配置中指定。

"TI"选项表示使用TI SPI帧格式。在TI SPI帧格式中，数据传输是以一个时钟边沿进行的，数据在该时钟边沿上同时进行采样和传输。数据的有效位数可以在配置中指定。

②Data Size，数据大小。数据帧的位数，可选8位或16位。本示例选择8位。

③First Bit，首先要传的位。可选MSB First（高位先行）或LSB Frist（低位先行）。本示例选择MSB First。

（2）Clock Parameters组，时钟参数。

①Prescaler（for Buaud Rate），用于产生波特率的预分频系数。有8个可选预分频系数，从2到256。SPI的时钟频率就是所在APB总线的时钟频率，SPI1在APB2总线上。最高频率是84MHz。

②Baud Rate，波特率。设置预分频系数后。CubeMx会自动根据APB总线频率和分频系数计算波特率。本示例中的APB2总线频率为84MHz，分频系数为8，所以波特率为10.5 Mbit/s。另外，根据W25Q128的数据手册，读数据指令（0x03）支持的最高频率是33MHz，但是经过测试，如果波特率超过12.5 Mbit/s时，读取数据就会偶尔发生错误，而波特率为5.25Mbit/s（分频系数为16）时传输很稳定。

③Clock Polarity,时钟极性。可选项为High和Low。本示例使用SPI模式3，所以选择High,

④Clock Phase,时钟相位。可选项为1 Edge和 2Edge。本示例使用SPI模式3，即在第2跳变沿采样数据，所以选择2 Edge。

图1-1中的CPOL和CPHA的设置对应于SPI模式3，因为W25Q128同时也支持SPI模式0，所以设置CPOL为Low，CPHA为1Edge也是可以的。

(3) Advance Parameters组，高级参数。

①CRC Calcution，CRC（循环冗余校验）计算。 STM32F407的SPI通信可以在传输数据的最后加上1个字节的CRC计算结果，在发生CRC错误时可以产生中断。若不使用，就选择Disabled.

②NSS Signal Type，NSS信号类型。这个参数的选项是由模式设置里面的Hardware Nss Signal的选择结果决定的。当模式设置里选择Hardware NSS Signal 为Disabe时，这个参数的选项就只能是Sofware，表示用软件产生NSS输出信号，即本例用PB14输出信号作为从机的片选信号。

启用SPI1后，CubeMx将自动将自动分配PA5、PA6、PA7作为SPI1的3个信号引脚，但是从图3-1中可以看出，实际用到的引脚是PB3、PB4、PB5引脚（如图4-2），所以在配置引脚时一定要注意，要按照原理图上的引脚进行配置，或者在Categories配置后一定要检查一遍引脚是都正确。

图4-2 SPI1的GPIO引脚配置

本示例使用SPI的阻塞式数据传输方式，不使用SPI的中断，多以无需开启全局中断。

4.2.2 其余GPIO引脚的配置

该工程通过串口1将W25Q128的操作结果打印出来，串口1具体配置如图4-3所示，需要注意的是，串口工具的配置需要和CubeMx里面的USART配置保持一致。

图4-3 串口配置

GPIO引脚包括LED灯引脚配置（PF9、PF10），其余引脚包括按键、蜂鸣器配置和项目《HAL库STM32常用外设教程（二）—— GPIO输入\输出》里面的引脚配置相同（有源码提供），如图4-4所示，此处不再赘述。

图4-4 GPIO配置

4.3 程序设计

在CubeMx里面生成keil的代码以后，在keil里面打开项目，代码如下。

4.3.1 SPI1初始化

配置好CubeMx后，生成工程并打开，在spi.c的文件里是关于SPI外设的一些基础配置，其中定义了SPI1的初始化函数MX_SPI1_Init()，相关代码及其对应的STM32CubeMx里面的配置如下：

上述程序定义了一个SPI_HandleTypeDef 结构体类型变量hspi1，这是表示SPI1的外设对象变量。函数MX_SPI1_Init()设置了hspi1各成员变量的值，其代码与CubeMx的配置是对应的。程序中的注释说明了每个成员变量的意义。

HAL_SPI_MspInit()是SPI的 MSP函数（“MCU Support Package”，微控制器支持包），在函数MX_SPI1_Init()里被调用，其主要作用是开启SPI1的时钟，并对其3个复用引脚进行GPIO设置。程序中的注释说明了每个成员变量的意义。

4.3.3 W25Q128的驱动程序

为方便对W25Q128进行操作，我们将W25Q128常用的一些功能编写为函数，也就是实现3.4节介绍的W25Q128常用操作指令。例如擦除芯片、擦除扇区、读取数据、写入数据等，这就是W25Q128的驱动程序。

注意W25Q128驱动程序与SPI接口的HAL库驱动程序有区别。SPI的HAL驱动程序实现了SPI接口数据传输的基本功能，是SPI硬件层的驱动；而W25Q128驱动程序是根据W25Q128的指令定义，实现器件具体功能操作的一系列函数。W25Q128驱动程序要用到SPI硬件层的HAL驱动程序，要通过SPI的HAL驱动程序实现数据帧的收发。

我们在项目里创建一个名为User的子目录，创建文件w25flash.c和w25flash.h，驱动程序文件w25flash.c和w25flash.h是根据W25Q128的数据手册编写的，并将其存放在这个子目录里。将子目录User添加到项目的头文件和源文件搜索路径。具体的w25flash.c和w25flash.h在文章末尾的网盘文件里有提供。

4.3 W25Q128的功能描述

4.3.1 主程序

下面我们使用W25Q128的驱动程序。

（1）在项目中添加代码，对W25Q128进行功能测试。添加完w25flash文件，如图4-5所示。

图4-5 GPIO配置

（2）在主程序中添加用户代码，完成后文件main.c的代码如下：

程序在完成外设初始化之后，调用Flash_TestReadStatus()读取Flash芯片的器件ID、状态寄存器SR1和SR2的值，并进行打印，在进入while循环之前，打印出了如下的一个菜单，菜单内如如下：

在while循环里面，程序检测按键输入，对于4个按键分别进行响应，实现下面的功能：

KEY0键按下时，调用函数Flash_EraseChip()擦除整个器件，擦除操作大约需要30s，不要经常才出整个扇区。
KEY2键按下时，调用Flash_EraseBlock64K()擦除Block0 ，测试写入数据之前应该先擦除。
KEY_UP键按下时，调用函数Flash_TestWrite() 从Page0和Page1写入数据。

KEY1键按下时，调用函数Flash_TestRead()从Page0和Page1读取数据。

函数Flash_EraseChip()和Flash_EraseBlock64K()是驱动文件w25flash.h中定义的函数。

函数Flash_TestReadStatus()、Flash_TestWrite() 、Flash_TestRead()是在文件spi.h中定义的测试函数，在后续的步骤中就。

	Flash_TestReadStatus();		/* 读取器件ID并分析芯片类型 */

	KEYS curKey = ScanPressedKey(KEY_WAIT_ALWAYS);		/* 获取按下的是哪一个按键 */
	  switch(curKey)
	  {
	  case KEY0:
		  LED0_Toggle();									/* 翻转LED0 */
			Flash_EraseChip();							/* 擦除整个器件，大约需要25时间 */
			printf("Chip is erased\n");
		  break;
	  case KEY2:
		  LED1_Toggle();									/* 翻转LED1 */
			uint32_t globalAddr	=	0;
			Flash_EraseBlock64K(globalAddr);/* 擦除块 */
			printf("Block0 is erased\n");
		  break;
	  case KEY_UP:
		  LED0_Toggle();									/* 翻转LED0 */
		  LED1_Toggle();									/* 翻转LED1 */
			Flash_TestWrite();							/* Flash写操作 */
		  break;
	  case KEY1:
//		  Buzzer_Toggle();							/* 蜂鸣器 */
			Flash_TestRead();								/* Flash读操作 */
		  break;
		 default:
			 break;
	  }

4.3.1 W25Q128功能测试函数的实现

接下来我们利用w25flash.c里面的的W25Q128驱动函数在spi.c里面实现上一小节中提到的三个函数，即在W25Q128驱动函数上再封装一层来实现我们想要的功能：

（1）函数Flash_TestReadStatus()就是调用W25Q128驱动程序中的3个函数，分别读取器件ID、状态寄存器SR1和SR2。

函数Flash_ReadID()返回厂家和产品ID，这在器件的手册上可以查到，如W25Q128的ID是0xEF17，如果其他芯片可继续在case里面进行添加，

代码如下（示例）：

/*
 * @brief 读取器件ID、状态寄存器SR1和SR2
 * @param
 */
void Flash_TestReadStatus(void)
{
	uint16_t devID = Flash_ReadID();																/* 读取器件ID */
	uint8_t tempStrDevID[50];																				/* 用来接字符串 */
	sprintf((char*)tempStrDevID,"Device ID = 0x%04X",devID);       	/* 将一个设备ID（devID）格式化为字符串，并存储在 tempStrDevID 变量中 */
	printf("%s\n",tempStrDevID);																		/* 打印tempStrDevID */
	
	switch(devID){																									/* 判读flash的型号 */
		case 0xEF17:
			printf("The chip is W25q128\n");
		break;
		default:
			printf("The chip is Unknow\n");
		break;
	}
	/* 读寄存器SR1的内容 */
	uint8_t tempStrSR1[50];
	sprintf((char*)tempStrSR1,"Status Reg1 = 0x%x",Flash_ReadSR1());  /* 将Flash_ReadSR1函数的返回值直接进行拼接 */
	printf("%s\n",tempStrSR1);
	
		/* 读寄存器SR2的内容 */
	uint8_t tempStrSR2[50];
	sprintf((char*)tempStrSR2,"Status Reg1 = 0x%x",Flash_ReadSR2());  /* 将Flash_ReadSR1函数的返回值直接进行拼接 */
	printf("%s\n",tempStrSR2);
}

（2）函数Flash_TestWrite()的功能是在Page0和Page1里写入数据，写入数据的存储空间必须是被擦除过的，在Page0里面写入的是两个字符串，分别在Page0的起始位置以及偏移100的位置，对一个页是可以分多次写入的，只要写入的存储的存储单元是被擦除过的。对于Page1则从页的起始地址写入了256字节的数据，写入的内容等于偏移地址的大小，即0~255。

/*
 * @brief  写flash测试
 * @param
 */
void Flash_TestWrite(void)
{
	uint8_t BlockNo 		= 0;																									/* 表示块号 */
	uint8_t SubSectorNo = 0;																									/* 表示扇区 */
	uint8_t  SubPageNo 	= 0;																									/* 表示页号 */
	uint32_t memAddress = 0;  																								/* 存储地址 */
	
	memAddress = Flash_Addr_byBlockSectorPage( BlockNo,SubSectorNo,SubPageNo);/* 计算内存地址，并将结果存储在memAddress变量中 */
	
	uint8_t bufStr1[30] = "Hello from brginning";
	Flash_WriteInPage(memAddress,bufStr1,strlen("Hello from brginning")+1);		/* 在指定的内存地址写入bufStr1（第0页的起始地址） */
	printf("Write in page 0 = %s\n",bufStr1);
	
	uint8_t bufStr2[30] = "Hello in page";
	Flash_WriteInPage(memAddress + 100,bufStr2,strlen("Hello from brginning")+1); /* 上一个位置偏移100个位置写入字符bufStr2 */
	printf("Write in page 100 = %s\n",bufStr2);
	
	uint8_t bufPage[FLASH_PAGE_SIZE];    					  
	for(uint16_t i = 0;i  
（3）函数Flash_TestRead()的功能是从Page0和Page1里读取数据 ，即从页的起始地址、偏移12的地址、偏移136的地址、偏移210的地址读出Flash_TestWrite()函数里写入的数值，可以测试读出的内容和写入的是否一致。 
 
/*
 * @brief   读flash测试
 * @param
 */
void Flash_TestRead(void)
{
	uint8_t BlockNo 		= 0;																									/* 表示块号 */
	uint8_t SubSectorNo = 0;																									/* 表示扇区 */
	uint8_t  SubPageNo 	= 0;																									/* 表示页号 */
	uint32_t memAddress = Flash_Addr_byBlockSectorPage( BlockNo,SubSectorNo,SubPageNo);
	uint8_t bufStr[50];  
	Flash_ReadBytes(memAddress,bufStr,50);  																	/* 读50字节 */
	printf("Read in page 0 = %s\n",bufStr);																		/* 将50个字符串打印出来 */
	Flash_ReadBytes(memAddress + 100,bufStr,50);  														/* 读50字节 */
	printf("Read in page 100 = %s\n",bufStr);																	/* 将50个字符串打印出来 */
	
  SubPageNo 	= 1;
	memAddress = Flash_Addr_byBlockSectorPage( BlockNo,SubSectorNo,SubPageNo);/* 计算第一页的地址 */
	uint8_t randData12 = Flash_ReadOneByte(memAddress + 12);									/* 读取地址中偏移量为12的字节数据，并将其存储在randData12变量中 */
	uint8_t randData136 = Flash_ReadOneByte(memAddress + 136);								/* 读取地址中偏移量为136的字节数据，并将其存储在randData136变量中 */
	uint8_t randData210= Flash_ReadOneByte(memAddress + 210);									/* 读取地址中偏移量为210的字节数据，并将其存储在randData210变量中 */
	
	char tempStrRandData[100]="";      																				/* 使用前先清空 */
	sprintf((char*)tempStrRandData,"Page1[12] = %d,Page1[136] = %d,Page1[210] = %d",randData12,randData136,randData210); 
	printf("%s\n",tempStrRandData);
}
 
4.4 示例结果 
  将完成的程序下载到开发板上，如图5-1所示按下相应的按键，就会得到图5-2串口得到的结果，其中打印多次是因为按键没有进行消抖操作。
 

  图5-1 开发板按键 
 
 

  图5-2 按键按下后串口收到的指令 
 
五、总结 
  通过本文讲解了SPI通信，其中涉及了SPI的原理、HAL库的相关驱动函数，其中涉及了SPI轮询、中断、DMA三种方式。然后又通过Flash芯片W25Q128作为示例来讲解SPI通信，讲解了W25Q128的部分指令，轮询方式读写W25Q128，其中涉及的SPI的CubeMx配置应当熟悉掌握。 
项目源码：HAL库STM32常用外设教程（九）—— SPI （读写W25Q128） 
参考书籍：
《STM32Cube高效开发教程（基础篇）》王维波
《STM32F4xx中文参考手册》
《STM32F407 探索者开发指南》 
  人最宝贵的东西是生命，生命对人来说只有一次.因此，人的一生应当这样度过:当一个人回首往事时，不因虚度年华而悔恨，也不因碌碌无为而羞愧;这样，在他临死的时候，能够说,我把整个生命和全部精力都献给了人生最宝贵的事业——为人类的解放而奋斗。
                                ——《钢铁是怎样练成的》

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