2023年03月21日 | STM32CubeMX系列 | SPI总线

1. 简介

1.1 SPI总线介绍

SPI全称Serial Peripheral Interface，即串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的、全双工、同步通讯总线，在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省空间提供了方便，正是这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通讯协议。下图是SPI内部结构简易图

从上图可以看出，主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输，寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从设备，从设备也将自已的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主设备。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时同步完成的，如果只进行写操作，主设备只需要忽略接收到的字节，如果主设备要进行读操作，就必须发送一个空字节来引发从设备的传输。

SPI接口一般使用4条线通讯，单向传输时也可以使用3条线，其中3条线为SPI总线（MISO/MOSI/SCLK），1条为SPI片选信号线（CS），它们的作用如下：

MISO:主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI:主设备数据输出，从设备数据输入
SCLK:时钟信号，由主设备产生
CS:从设备片选信号，由主设备控制

SPI使用MOSI/MISO信号线来传输数据，使用SCLK信号线进行数据同步。MOSI/MISO数据线在SCLK的每个时钟周期传输1位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行没有硬性规定，但是两个SPI通讯设备之间必须使用同样的协定，一般都会采用MSB先行模式。 当有多个SPI从设备与SPI主设备相连时，设备的MOSI/MISO/SCLK信号线并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用者3条总线；而每个从设备都有独立的1条CS信号线，该信号线独占主设备的一个引脚，即有多少个从设备就有多少条片选信号线。当主设备要选择从设备时，把该从设备的CS信号线设置为低电平，该从设备即被选中（片选有效），接着主设备开始与从设备进行SPI通讯。 SPI总线根据时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的配置不同，可以有四种工作方式：

CPOL=0:串行同步时钟的空闲状态为低电平
CPOL=1:串行同步时钟的空闲状态为高电平
CPHA=0:在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样
CPHA=1:在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样

1.2 W25QXX芯片介绍

W25QXX芯片是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，该系列有W25Q16/32/62/128等。本例程使用W25Q64，W25Q64容量为64Mbits（8M字节）：8MB的容量分为128个块(Block)（块大小为64KB），每个块又分为16个扇区(Sector)（扇区大小为4KB）；W25Q64的最小擦除单位为一个扇区即4KB，因此在选择芯片的时候必须要有4K以上的SRAM（可以开辟4K的缓冲区）。W25Q64的擦写周期多达10万次，具有20年的数据保存期限。 下表是W25QXX的常用命令表

2. 硬件设计

D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP按键用来控制W25Q64数据写入，K_DOWN按键用来控制W25Q64数据读取，串口1用来打印写入和读取的数据信息

• D1指示灯

• K_UP和K_DOWN按键

• USART1

• SPI

• W25Q64

3. 软件设计

3.1 STM32CubeMX设置

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

• PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平

• USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位

• PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE3设置为GPIO输入模式、上拉模式

• PG13设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速（片选引脚）

• 激活SPI2，不开启NSS，数据长度8位，MSB先输出，分频因子256，CPOL为HIGH，CPHA为第二个边沿，不开启CRC检验，NSS为软件控制

• 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM编程

• 在spi.c文件下可以看到SPI2的初始化函数，片选管脚的初始化在gpio.c中

void MX_SPI2_Init(void){

  hspi2.Instance = SPI2;

  hspi2.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //设置为主模式

  hspi2.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;  //双线模式

  hspi2.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;  //  8位数据长度

  hspi2.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;   //串行同步时钟空闲状态为高电平

  hspi2.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;    //第二个跳变沿采样

  hspi2.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;    //NSS软件控制

  hspi2.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; //分配因子256

  hspi2.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;   //MSB先行

  hspi2.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;   //关闭TI模式

  hspi2.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;   //关闭硬件CRC校验

  hspi2.Init.CRCPolynomial = 10;

  if (HAL_SPI_Init(&hspi2) != HAL_OK){

    Error_Handler();

  }

}

void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle){

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  if(spiHandle->Instance==SPI2){

  __HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE();  

  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /**SPI2 GPIO Configuration    

  PB13     ------> SPI2_SCK

  PB14     ------> SPI2_MISO

  PB15     ------> SPI2_MOSI */

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_15;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;

  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

  }

}

创建按键驱动文件key.c 和相关头文件key.h（驱动代码参考按键输入案例）

创建包含W25Q64芯片的相关操作函数及驱动函数的文件w25qxx.c和w25qxx.h，这里仅介绍几个重要的函数，源文件可在文末公众号中下载

//这里仅介绍几个重要的函数

void W25QXX_Init(void){

    W25Qx_Disable();

    W25QXX_TYPE = W25QXX_ReadID();  //读取芯片ID

    printf("FLASH ID:%Xrn",W25QXX_TYPE);

    if(W25QXX_TYPE == 0xc816)

        printf("FLASH TYPE:W25Q64rn");

}

uint16_t W25QXX_ReadID(void){

    uint16_t ID;

    uint8_t id[2]={0};

    uint8_t cmd[4] = {W25X_ManufactDeviceID,0x00,0x00,0x00};    //读取ID命令    

    W25Qx_Enable();     //使能器件

    HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);

    HAL_SPI_Receive(&hspi2,id,2,1000);

    W25Qx_Disable();    //取消片选  

    ID = (((uint16_t)id[0])<<8)|id[1];

    return ID;

}

void W25QXX_Read(uint8_t* pBuffer,uint32_t ReadAddr,uint16_t NumByteToRead){

    uint8_t cmd[4] = {0};

    cmd[0] = W25X_ReadData;     //读取命令

    cmd[1] = ((uint8_t)(ReadAddr>>16));

    cmd[2] = ((uint8_t)(ReadAddr>>8));

    cmd[3] = ((uint8_t)ReadAddr);

    W25Qx_Enable();     //使能器件

    HAL_SPI_Transmit(&hspi2,cmd,4,1000);

    HAL_SPI_Receive(&hspi2,pBuffer,NumByteToRead,1000);

    W25Qx_Disable();    //取消片选  

}

void W25QXX_Write(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite){

    uint32_t secpos;

    uint16_t secoff;

    uint16_t secremain;

    uint16_t i;

    uint8_t *W25QXX_BUF;

    W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER;

    secpos = WriteAddr/4096;    //扇区地址

    secpos = WriteAddr%4096;    //在扇区里的偏移

    secremain = 4096-secoff;    //扇区剩余空间大小

    printf("WriteAddr:0x%X,NumByteToWrite:%drn",WriteAddr,NumByteToWrite);

    if(NumByteToWrite <= secremain)  //不大于4K字节

        secremain = NumByteToWrite;

    while(1){

        W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);   //读取整个扇区内容

        for(i=0;i            if(W25QXX_BUF[secoff+i] != 0xff)    //需要擦除

                break;

        }

        if(i < secremain){  //需要擦除

            W25QXX_Erase_Sector(secpos);    //擦除扇区

            for(i=0;i                W25QXX_BUF[i+secoff] = pBuffer[i];

            }

            W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);  //写入整个扇区

        }

        else{

            W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);  //写入扇区剩余空间

        }

        if(NumByteToWrite == secremain){    //写入结束了

            break;

        }

        else{   //写入未结束

            secpos++;       //扇区地址增1

            secoff = 0;     //偏移位置为0        

            pBuffer += secremain;   //指针偏移

            WriteAddr += secremain; //写地址偏移

            NumByteToWrite -= secremain;    //字节数递减

            if(NumByteToWrite > 4096)       

                secremain = 4096;           //下个扇区还没是写不完

            else

                secremain = NumByteToWrite; //下个扇区可以写完了

        }

    }

}

在main.c文件下编写SPI测试代码

/* USER CODE BEGIN PV */

uint8_t wData[0x100];

uint8_t rData[0x100];

uint32_t i;

/* USER CODE END PV */

void SystemClock_Config(void);

int main(void){

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  uint8_t key;

  /* USER CODE END 1 */

  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();

  MX_SPI2_Init();

  MX_USART1_UART_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */

  W25QXX_Init();

  for(i=0;i<0x100;i++){

    wData[i] = i;

    rData[i] = 0;

  } 

  /* USER CODE END 2 */

  while (1){

    key = KEY_Scan(0);

    if(key == KEY_UP_PRES){

        printf("KEY_UP_PRES write data...rn");

        W25QXX_Erase_Sector(0);

        W25QXX_Write(wData,0,256);

    }

    if(key == KEY_DOWN_PRES){

    printf("KEY_DOWN_PRES read data...rn");

        W25QXX_Read(rData,0,256);

        for(i=0;i<256;i++){

            printf("0x%02X ",rData[i]);

        }

    }

    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);

    HAL_Delay(200);

    }

}

4. 下载验证

编译无误下载到开发板后，可以看到D1指示灯不断闪烁，当按下K_UP按键后数据写入到W25Q64芯片内，当按下K_DOWN按键后读取W25Q64芯片的值，同时串口打印出相应信息