24. SPI—读写串行FLASH

本章参考资料:《STM32F4xx参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》及《SPI总线协议介绍》。

若对SPI通讯协议不了解,可先阅读《SPI总线协议介绍》文档的内容学习。

关于FLASH存储器,请参考“常用存储器介绍”章节,实验中FLASH芯片的具体参数,请参考其规格书《W25Q256》来了解。

24.1. SPI协议简介

SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口, 是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间,要求通讯速率较高的场合。

学习本章时,可与I2C章节对比阅读,体会两种通讯总线的差异以及EEPROM存储器与FLASH存储器的区别。下面我们分别对SPI协议的物理层及协议层进行讲解。

24.1.1. SPI物理层

SPI通讯设备之间的常用连接方式见图 常见的SPI通讯系统

常见的SPI通讯系统

SPI通讯使用3条总线及片选线,3条总线分别为SCK、MOSI、MISO,片选线为 ,它们的作用介绍如下:

(1) ( Slave Select):从设备选择信号线,常称为片选信号线,也称为NSS、CS,以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时, 设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上,即无论有多少个从设备,都共同只使用这3条总线; 而每个从设备都有独立的这一条NSS信号线,本信号线独占主机的一个引脚,即有多少个从设备,就有多少条片选信号线。 I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯;而SPI协议中没有设备地址,它使用NSS信号线来寻址, 当主机要选择从设备时,把该从设备的NSS信号线设置为低电平,该从设备即被选中,即片选有效, 接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号,以NSS线被拉高作为结束信号。

(2) SCK (Serial Clock):时钟信号线,用于通讯数据同步。它由通讯主机产生,决定了通讯的速率,不同的设备支持的最高时钟频率不一样, 如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2,两个设备之间通讯时,通讯速率受限于低速设备。

(3) MOSI (Master Output, Slave Input):主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出, 从机由这条信号线读入主机发送的数据,即这条线上数据的方向为主机到从机。

(4) MISO(Master Input,,Slave Output):主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据, 从机的数据由这条信号线输出到主机,即在这条线上数据的方向为从机到主机。

24.1.2. 协议层

与I2C的类似,SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

24.1.2.1. SPI基本通讯过程

先看看SPI通讯的通讯时序,见图 SPI通讯时序

SPI通讯时序

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生,而MISO的信号由从机产生,主机通过该信号线读取从机的数据。 MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效,在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下:

24.1.2.2. 通讯的起始和停止信号

在图 SPI通讯时序 中的标号处,NSS信号线由高变低,是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线, 当从机在自己的NSS线检测到起始信号后,就知道自己被主机选中了,开始准备与主机通讯。在图中的标号处,NSS信号由低变高, 是SPI通讯的停止信号,表示本次通讯结束,从机的选中状态被取消。

24.1.2.3. 数据有效性

SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据,使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据, 且数据输入输出是同时进行的。数据传输时,MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定,但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定, 一般都会采用图 SPI通讯时序 中的MSB先行模式。

观察图中的标号处,MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出,在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻, MOSI及MISO的数据有效,高电平时表示数据“1”,为低电平时表示数据“0”。在其它时刻,数据无效,MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

SPI每次数据传输可以8位或16位为单位,每次传输的单位数不受限制。

24.1.2.4. CPOL/CPHA及通讯模式

上面讲述的图 SPI通讯时序 中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式,SPI一共有四种通讯模式, 它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明,在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。

时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时,SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时, SCK在空闲状态时为低电平,CPOL=1时,则相反。

时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻,当CPHA=0时,MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时, 数据线在SCK的“偶数边沿”采样。见图 CPHA = 0时的SPI通讯模式 及图 CPHA = 1时的SPI通讯模式

CPHA=0时的SPI通讯模式

我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先,根据SCK在空闲状态时的电平,分为两种情况。 SCK信号线在空闲状态为低电平时,CPOL=0;空闲状态为高电平时,CPOL=1。

无论CPOL=0还是=1,因为我们配置的时钟相位CPHA=0,在图中可以看到,采样时刻都是在SCK的奇数边沿。 注意当CPOL=0的时候,时钟的奇数边沿是上升沿,而CPOL=1的时候,时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。 MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变,数据信号将在SCK奇数边沿时被采样,在非采样时刻,MOSI和MISO的有效信号才发生切换。

类似地,当CPHA=1时,不受CPOL的影响,数据信号在SCK的偶数边沿被采样,见图 CPHA=1时的SPI通讯模式_。

CPHA=1时的SPI通讯模式

由CPOL及CPHA的不同状态,SPI分成了四种模式,见表 SPI的四种模式 , 主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯,实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

SPI的四种模式

24.2. STM32的SPI特性及架构

与I2C外设一样,STM32芯片也集成了专门用于SPI协议通讯的外设。

24.2.1. STM32的SPI外设简介

STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机,支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F429型号的芯片默认fpclk1为45MHz,fpclk2为90MHz), 完全支持SPI协议的4种模式,数据帧长度可设置为8位或16位,可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、 双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据,可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线, 当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

STM32的SPI外设还支持I2S功能,I2S功能是一种音频串行通讯协议,在我们以后讲解MP3播放器的章节中会进行介绍。

24.2.2. STM32的SPI架构剖析

SPI架构图

24.2.2.1. 通讯引脚

SPI的所有硬件架构都从图 SPI架构图 中左侧MOSI、MISO、SCK及NSS线展开的。 STM32芯片有多个SPI外设,它们的SPI通讯信号引出到不同的GPIO引脚上, 使用时必须配置到这些指定的引脚,见表 STM32F4xx的SPI引脚。关于GPIO引脚的复用功能,可查阅《STM32F4xx规格书》,以它为准。

STM32F4xx的SPI引脚

引脚

SPI编号

SPI1

SPI2

SPI3

SPI4

SPI5

SPI6

MOSI

PA7/PB5

PB15/PC3/PI3

PB5/PC12/PD6

PE6/PE14

PF9/PF11

PG14

MISO

PA6/PB4

PB14/PC2/PI2

PB4/PC11

PE5/PE13

PF8/PH7

PG12

SCK

PA5/PB3

PB10/PB13/PD3

PB3/PC10

PE2/PE12

PF7/PH6

PG13

NSS

PA4/PA15

PB9/PB12/PI0

PA4/PA15

PE4/PE11

PF6/PH5

PG8

其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的设备,最高通信速率达45Mbtis/s,SPI2、SPI3是APB1上的设备,最高通信速率为22.5Mbits/s。其它功能上没有差异。

24.2.2.2. 时钟控制逻辑

SCK线的时钟信号,由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制,该位是对fpclk时钟的分频因子, 对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率,计算方法见表 BR位对fpclk的分频

BR位对fpclk的分频

其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率,APB1为fpclk1,APB2为fpckl2

通过配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。

24.2.2.3. 数据控制逻辑

SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上,数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候, 数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源,把数据一位一位地通过数据线发送出去;当从外部接收数据的时候, 数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中, 通过 “数据寄存器DR”,可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式;配置“LSBFIRST位”可选择MSB先行还是LSB先行。

24.2.2.4. 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个SPI外设,控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变,基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、 波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时,控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”,我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位, 就可以了解SPI的工作状态了。除此之外,控制逻辑还根据要求,负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。

实际应用中,我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线,而是更简单地使用普通的GPIO,软件控制它的电平输出,从而产生通讯起始和停止信号。

24.2.3. 通讯过程

STM32使用SPI外设通讯时,在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数,我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器通讯过程 中的是“主模式”流程,即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。

主发送器通讯过程

主模式收发流程及事件说明如下:

(1) 控制NSS信号线, 产生起始信号(图中没有画出);

(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中, 该数据会被存储到发送缓冲区;

(3) 通讯开始,SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去; MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中;

(4) 当发送完一帧数据的时候,“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1,表示传输完一帧,发送缓冲区已空;类似地, 当接收完一帧数据的时候,“RXNE标志位”会被置1,表示传输完一帧,接收缓冲区非空;

(5) 等待到“TXE标志位”为1时,若还要继续发送数据,则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可;等待到“RXNE标志位”为1时, 通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如我们使能了TXE或RXNE中断,TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号,进入同一个中断服务函数,到SPI中断服务程序后, 可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件,再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发“数据寄存器DR”中的数据。

24.3. SPI初始化结构体详解

跟其它外设一样,STM32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置SPI外设。 初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f4xx_spi.h”及“stm32f4xx_spi.c”中,编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。 了解初始化结构体后我们就能对SPI外设运用自如了,见 代码清单:SPI-1

代码清单:SPI-1 SPI初始化结构体
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typedef struct
{
    uint16_t SPI_Direction;           /*设置SPI的单双向模式 */
    uint16_t SPI_Mode;                /*设置SPI的主/从机端模式 */
    uint16_t SPI_DataSize;            /*设置SPI的数据帧长度,可选8/16位 */
    uint16_t SPI_CPOL;                /*设置时钟极性CPOL,可选高/低电平*/
    uint16_t SPI_CPHA;                /*设置时钟相位,可选奇/偶数边沿采样 */
    uint16_t SPI_NSS;                /*设置NSS引脚由SPI硬件控制还是软件控制*/
    uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;  /*设置时钟分频因子,fpclk/分频数=fSCK */
    uint16_t SPI_FirstBit;            /*设置MSB/LSB先行 */
    uint16_t SPI_CRCPolynomial;       /*设置CRC校验的表达式 */
} SPI_InitTypeDef;

这些结构体成员说明如下,其中括号内的文字是对应参数在STM32标准库中定义的宏:

  1. SPI_Direction

本成员设置SPI的通讯方向,可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex),双线只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly), 单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

  1. SPI_Mode

本成员设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave ), 这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序, SCK的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式,STM32的SPI外设将接受外来的SCK信号。

  1. SPI_DataSize

本成员可以选择SPI通讯的数据帧大小是为8位(SPI_DataSize_8b)还是16位(SPI_DataSize_16b)。

  1. SPI_CPOL和SPI_CPHA

这两个成员配置SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA,这两个配置影响到SPI的通讯模式, 关于CPOL和CPHA的说明参考前面“通讯模式”小节。

时钟极性CPOL成员,可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low )。

时钟相位CPHA 则可以设置为SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge(在SCK的偶数边沿采集数据) 。

  1. SPI_NSS

本成员配置NSS引脚的使用模式,可以选择为硬件模式(SPI_NSS_Hard )与软件模式(SPI_NSS_Soft ), 在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生,而软件模式则需要我们亲自把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。

  1. SPI_BaudRatePrescaler

本成员设置波特率分频因子,分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分频。

  1. SPI_FirstBit

所有串行的通讯协议都会有MSB先行(高位数据在前)还是LSB先行(低位数据在前)的问题,而STM32的SPI模块可以通过这个结构体成员,对这个特性编程控制。

  1. SPI_CRCPolynomial

这是SPI的CRC校验中的多项式,若我们使用CRC校验时,就使用这个成员的参数(多项式),来计算CRC的值。

配置完这些结构体成员后,我们要调用SPI_Init函数把这些参数写入到寄存器中,实现SPI的初始化,然后调用SPI_Cmd来使能SPI外设。

24.4. SPI—读写串行FLASH实验

FLSAH存储器又称闪存,它与EEPROM都是掉电后数据不丢失的存储器,但FLASH存储器容量普遍大于EEPROM,现在基本取代了它的地位。 我们生活中常用的U盘、SD卡、SSD固态硬盘以及我们STM32芯片内部用于存储程序的设备,都是FLASH类型的存储器。在存储控制上, 最主要的区别是FLASH芯片只能一大片一大片地擦写,而在“I2C章节”中我们了解到EEPROM可以单个字节擦写。

本小节以一种使用SPI通讯的串行FLASH存储芯片的读写实验为大家讲解STM32的SPI使用方法。实验中STM32的SPI外设采用主模式,通过查询事件的方式来确保正常通讯。

24.4.1. 硬件设计

V1

SPI串行FLASH硬件连接图

V2

SPI串行FLASH硬件连

挑战者V1和挑战者V2核心板分别使用W25Q128和W25Q256,程序流程相通, 主要差异在:因为容量大后寻址地址范围增加,W25Q256初始化步骤多一步 SPI_FLASH_Mode_Init() 使SPI_FLASH进入4字节地址模式, Write和Read相关函数内的发送读写地址过程从发送3个字节地址变发送4个字节地址。

W25Q128 256块 16MB 寻址空间:0x000000~0xFFFFFF

W25Q256 512块 32MB 寻址空间:0x00000000~0x01FFFFFF

1块=16扇区 1扇区=16页 1页=256字节


本实验板中的FLASH芯片(型号:W25Q256)是一种使用SPI通讯协议的NORFLASH存储器,它的CS/CLK/DIO/DO引脚分别连接到了STM32对应的SDI引脚NSS/SCK/MOSI/MISO上, 其中STM32的NSS引脚是一个普通的GPIO,不是SPI的专用NSS引脚,所以程序中我们要使用软件控制的方式。

FLASH芯片中还有WP和HOLD引脚。WP引脚可控制写保护功能,当该引脚为低电平时,禁止写入数据。我们直接接电源,不使用写保护功能。HOLD引脚可用于暂停通讯, 该引脚为低电平时,通讯暂停,数据输出引脚输出高阻抗状态,时钟和数据输入引脚无效。我们直接接电源,不使用通讯暂停功能。

关于FLASH芯片的更多信息,可参考其数据手册《W25Q256》来了解。若您使用的实验板FLASH的型号或控制引脚不一样,只需根据我们的工程修改即可,程序的控制原理相同。

24.4.2. 软件设计

为了使工程更加有条理,我们把读写FLASH相关的代码独立分开存储,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, 这些文件也可根据您的喜好命名,它们不属于STM32标准库的内容,是由我们自己根据应用需要编写的。

24.4.2.1. 编程要点

(1) 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟;

(2) 使能SPI外设的时钟;

(3) 配置SPI外设的模式、地址、速率等参数并使能SPI外设;

(4) 编写基本SPI按字节收发的函数;

(5) 编写对FLASH擦除及读写操作的的函数;

(6) 编写测试程序,对读写数据进行校验。

24.4.2.2. 代码分析

SPI硬件相关宏定义

我们把SPI硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_spi_ flash.h”文件中,见 代码清单:SPI-2。

代码清单:SPI-2 SPI硬件配置相关的宏
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//SPI号及时钟初始化函数
#define FLASH_SPI                           SPI5
#define FLASH_SPI_CLK                       RCC_APB2Periph_SPI5
#define FLASH_SPI_CLK_INIT                  RCC_APB2PeriphClockCmd
//SCK引脚
#define FLASH_SPI_SCK_PIN                   GPIO_Pin_7
#define FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT             GPIOF
#define FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK              RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE             GPIO_PinSource7
#define FLASH_SPI_SCK_AF                    GPIO_AF_SPI5
//MISO引脚
#define FLASH_SPI_MISO_PIN                  GPIO_Pin_8
#define FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT            GPIOF
#define FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK             RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE            GPIO_PinSource8
#define FLASH_SPI_MISO_AF                   GPIO_AF_SPI5
//MOSI引脚
#define FLASH_SPI_MOSI_PIN                  GPIO_Pin_9
#define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT            GPIOF
#define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK             RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE            GPIO_PinSource9
#define FLASH_SPI_MOSI_AF                    GPIO_AF_SPI5
//CS(NSS)引脚
#define FLASH_CS_PIN                         GPIO_Pin_6
#define FLASH_CS_GPIO_PORT                   GPIOF
#define FLASH_CS_GPIO_CLK                    RCC_AHB1Periph_GPIOF

//控制CS(NSS)引脚输出低电平
#define SPI_FLASH_CS_LOW()      {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRH=FLASH_CS_PIN;}
//控制CS(NSS)引脚输出高电平
#define SPI_FLASH_CS_HIGH()     {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRL=FLASH_CS_PIN;}

以上代码根据硬件连接,把与FLASH通讯使用的SPI号 、引脚号、引脚源以及复用功能映射都以宏封装起来, 并且定义了控制CS(NSS)引脚输出电平的宏,以便配置产生起始和停止信号时使用。

初始化SPI的 GPIO

利用上面的宏,编写SPI的初始化函数,见 代码清单:SPI-3

代码清单:SPI-3 SPI的初始化函数(GPIO初始化部分)
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/**
* @brief  SPI_FLASH初始化
* @param  无
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /* 使能 FLASH_SPI 及 GPIO 时钟 */
    /*!< SPI_FLASH_SPI_CS_GPIO, SPI_FLASH_SPI_MOSI_GPIO,
        SPI_FLASH_SPI_MISO_GPIO和 SPI_FLASH_SPI_SCK_GPIO 时钟使能 */
RCC_AHB1PeriphClockCmd (FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK | FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|
                    FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);

    /*!< SPI_FLASH_SPI 时钟使能 */
    FLASH_SPI_CLK_INIT(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);

    //设置引脚复用
    GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,
                    FLASH_SPI_SCK_AF);
    GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,
                    FLASH_SPI_MISO_AF);
    GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,
                    FLASH_SPI_MOSI_AF);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: SCK */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

    GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MISO */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;
    GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MOSI */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;
    GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: CS */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /* 停止信号 FLASH: CS引脚高电平*/
    SPI_FLASH_CS_HIGH();
    /*为方便讲解,以下省略SPI模式初始化部分*/
    //......
}

与所有使用到GPIO的外设一样,都要先把使用到的GPIO引脚模式初始化,配置好复用功能。GPIO初始化流程如下:

(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量, 以便下面用于存储GPIO配置;

(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能SPI引脚使用的GPIO端口时钟, 调用时使用“|”操作同时配置多个引脚。调用宏FLASH_SPI_CLK_INIT使能SPI外设时钟(该宏封装了APB时钟使能的库函数)。

(3) 向GPIO初始化结构体赋值,把SCK/MOSI/MISO引脚初始化成复用推挽模式。 而CS(NSS)引脚由于使用软件控制,我们把它配置为普通的推挽输出模式。

(4) 使用以上初始化结构体的配置,调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数, 完成GPIO的初始化。

配置SPI的模式

以上只是配置了SPI使用的引脚,对SPI外设模式的配置。在配置STM32的SPI模式前,我们要先了解从机端的SPI模式。 本例子中可通过查阅FLASH数据手册《W25Q256》获取。根据FLASH芯片的说明,它支持SPI模式0及模式3,支持双线全双工,使用MSB先行模式, 支持最高通讯时钟为104MHz,数据帧长度为8位。我们要把STM32的SPI外设中的这些参数配置一致。见 代码清单:SPI-4

代码清单:SPI-4 配置SPI模式
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/**
* @brief  SPI_FLASH初始化
* @param  无
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_Init(void)
{
    SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /* 使能 FLASH_SPI 及GPIO 时钟 */
    /*!< SPI_FLASH_SPI_CS_GPIO, SPI_FLASH_SPI_MOSI_GPIO,
        SPI_FLASH_SPI_MISO_GPIO,SPI_FLASH_SPI_SCK_GPIO 时钟使能 */
    RCC_AHB1PeriphClockCmd (FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK |

FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);

    /*!< SPI_FLASH_SPI 时钟使能 */
    FLASH_SPI_CLK_INIT(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);

    //设置引脚复用
GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,FLASH_SPI_SCK_AF);
GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,FLASH_SPI_MISO_AF);
GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,FLASH_SPI_MOSI_AF);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: SCK */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

    GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MISO */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;
    GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MOSI */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;
    GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: CS */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /* 停止信号 FLASH: CS引脚高电平*/
    SPI_FLASH_CS_HIGH();

    /* FLASH_SPI 模式配置 */
    // FLASH芯片 支持SPI模式0及模式3,据此设置CPOL CPHA
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(FLASH_SPI, &SPI_InitStructure);

    /* 使能 FLASH_SPI  */
    SPI_Cmd(FLASH_SPI, ENABLE);

    /* 使 SPI_FLASH 进入 4 字节地址模式 */
    SPI_FLASH_Mode_Init();
}

这段代码中,把STM32的SPI外设配置为主机端,双线全双工模式,数据帧长度为8位,使用SPI模式3(CPOL=1,CPHA=1),NSS引脚由软件控制以及MSB先行模式。 最后一个成员为CRC计算式,由于我们与FLASH芯片通讯不需要CRC校验,并没有使能SPI的CRC功能,这时CRC计算式的成员值是无效的。

赋值结束后调用库函数SPI_Init把这些配置写入寄存器,并调用SPI_Cmd函数使能外设。

最后配置W25Q256进入4字节地址模式,默认是3字节地址模式。在这里需要注意一点的是W25Q256和W25Q256的区别,其中W25Q256是16M的内存,所以在读写W25Q256的时候只需要3个字节的地址就可以访问完W25Q256的所有内存,但是W25Q256是32M的内存,3字节地址是不够的,所以在这里直接配置成4字节地址模式。

使用SPI发送和接收一个字节的数据

初始化好SPI外设后,就可以使用SPI通讯了,复杂的数据通讯都是由单个字节数据收发组成的, 我们看看它的代码实现,见 代码清单:SPI-5

代码清单:SPI-5 使用SPI发送和接收一个字节的数据
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#define Dummy_Byte 0xFF
/**
* @brief  使用SPI发送一个字节的数据
* @param  byte:要发送的数据
* @retval 返回接收到的数据
*/
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{
    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 等待发送缓冲区为空,TXE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
    {
        if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
    }

    /* 写入数据寄存器,把要写入的数据写入发送缓冲区 */
    SPI_I2S_SendData(FLASH_SPI, byte);

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 等待接收缓冲区非空,RXNE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
    {
        if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
    }

    /* 读取数据寄存器,获取接收缓冲区数据 */
    return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);
}

/**
* @brief  使用SPI读取一个字节的数据
* @param  无
* @retval 返回接收到的数据
*/
u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
{
    return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));
}

SPI_FLASH_SendByte发送单字节函数中包含了等待事件的超时处理,这部分原理跟I2C中的一样,在此不再赘述。

SPI_FLASH_SendByte函数实现了前面讲解的“SPI通讯过程”:

(1) 本函数中不包含SPI起始和停止信号,只是收发的主要过程, 所以在调用本函数前后要做好起始和停止信号的操作;

(2) 对SPITimeout变量赋值为宏SPIT_FLAG_TIMEOUT。这个SPITimeout变量在下面的while循环中每次循环减1, 该循环通过调用库函数SPI_I2S_GetFlagStatus检测事件,若检测到事件,则进入通讯的下一阶段, 若未检测到事件则停留在此处一直检测,当检测SPIT_FLAG_TIMEOUT次都还没等待到事件则认为通讯失败, 调用的SPI_TIMEOUT_UserCallback输出调试信息,并退出通讯;

(3) 通过检测TXE标志,获取发送缓冲区的状态,若发送缓冲区为空, 则表示可能存在的上一个数据已经发送完毕;

(4) 等待至发送缓冲区为空后,调用库函数SPI_I2S_SendData把要发送的数据“byte”写入到SPI的数据寄存器DR, 写入SPI数据寄存器的数据会存储到发送缓冲区,由SPI外设发送出去;

(5) 写入完毕后等待RXNE事件,即接收缓冲区非空事件。 由于SPI双线全双工模式下MOSI与MISO数据传输是同步的(请对比“SPI通讯过程”阅读),当接收缓冲区非空时, 表示上面的数据发送完毕,且接收缓冲区也收到新的数据;

(6) 等待至接收缓冲区非空时,通过调用库函数SPI_I2S_ReceiveData读取SPI的数据寄存器DR,就可以获取接收缓冲区中的新数据了。 代码中使用关键字“return”把接收到的这个数据作为SPI_FLASH_SendByte函数的返回值, 所以我们可以看到在下面定义的SPI接收数据函数SPI_FLASH_ReadByte,它只是简单地调用了SPI_FLASH_SendByte函数发送数据“Dummy_Byte”, 然后获取其返回值(因为不关注发送的数据,所以此时的输入参数“Dummy_Byte”可以为任意值)。 可以这样做的原因是SPI的接收过程和发送过程实质是一样的,收发同步进行,关键在于我们的上层应用中,关注的是发送还是接收的数据。

控制FLASH的指令

搞定SPI的基本收发单元后,还需要了解如何对FLASH芯片进行读写。FLASH芯片自定义了很多指令, 我们通过控制STM32利用SPI总线向FLASH芯片发送指令,FLASH芯片收到后就会执行相应的操作。

而这些指令,对主机端(STM32)来说,只是它遵守最基本的SPI通讯协议发送出的数据,但在设备端(FLASH芯片)把这些数据解释成不同的意义, 所以才成为指令。查看FLASH芯片的数据手册《W25Q256》,可了解各种它定义的各种指令的功能及指令格式, 见表 FLASH常用芯片指令表

FLASH常用芯片指令表

该表中的第一列为指令名,第二列为指令编码,第三至第N列的具体内容根据指令的不同而有不同的含义。 其中带括号的字节参数,方向为FLASH向主机传输,即命令响应,不带括号的则为主机向FLASH传输。 表中“A0~A23”指FLASH芯片内部存储器组织的地址;“M0~M7”为厂商号(MANUFACTURERID); “ID0-ID15”为FLASH芯片的ID;“dummy”指该处可为任意数据;“D0~D7”为FLASH内部存储矩阵的内容。

在FLSAH芯片内部,存储有固定的厂商编号(M7-M0)和不同类型FLASH芯片独有的编号(ID15-ID0), 见表 FLASH数据手册的设备ID说明

FLASH数据手册的设备ID说明

通过指令表中的读ID指令“JEDEC ID”可以获取这两个编号,该指令编码为“9F h”, 其中“9F h”是指16进制数“9F” (相当于C语言中的0x9F)。 紧跟指令编码的三个字节分别为FLASH芯片输出的“(M7-M0)”、“(ID15-ID8)”及“(ID7-ID0)”。

此处我们以该指令为例,配合其指令时序图进行讲解,见图 FLASH读ID指令JEDEC_ID的时序

FLASH读ID指令JEDEC_ID的时序

主机首先通过MOSI线向FLASH芯片发送第一个字节数据为“9F h”,当FLASH芯片收到该数据后,它会解读成主机向它发送了“JEDEC指令”, 然后它就作出该命令的响应:通过MISO线把它的厂商ID(M7-M0)及芯片类型(ID15-0)发送给主机,主机接收到指令响应后可进行校验。 常见的应用是主机端通过读取设备ID来测试硬件是否连接正常,或用于识别设备。

对于FLASH芯片的其它指令,都是类似的,只是有的指令包含多个字节,或者响应包含更多的数据。

实际上,编写设备驱动都是有一定的规律可循的。首先我们要确定设备使用的是什么通讯协议。如上一章的EEPROM使用的是I2C, 本章的FLASH使用的是SPI。那么我们就先根据它的通讯协议,选择好STM32的硬件模块,并进行相应的I2C或SPI模块初始化。 接着,我们要了解目标设备的相关指令,因为不同的设备,都会有相应的不同的指令。如EEPROM中会把第一个数据解释为内部存储矩阵的地址(实质就是指令)。 而FLASH则定义了更多的指令,有写指令,读指令,读ID指令等等。最后,我们根据这些指令的格式要求,使用通讯协议向设备发送指令,达到控制设备的目标。

定义FLASH指令编码表

为了方便使用,我们把FLASH芯片的常用指令编码使用宏来封装起来,后面需要发送指令编码的时候我们直接使用这些宏即可, 见 代码清单:SPI-6

代码清单:SPI-6 FLASH指令编码表
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/*命令定义-开头*******************************/
#define W25X_WriteEnable          0x06
#define W25X_WriteDisable         0x04
#define W25X_ReadStatusReg        0x05
#define W25X_WriteStatusReg     0x01
#define W25X_ReadData             0x03
#define W25X_FastReadData         0x0B
#define W25X_FastReadDual         0x3B
#define W25X_PageProgram          0x02
#define W25X_BlockErase           0xD8
#define W25X_SectorErase          0x20
#define W25X_ChipErase            0xC7
#define W25X_PowerDown            0xB9
#define W25X_ReleasePowerDown   0xAB
#define W25X_DeviceID             0xAB
#define W25X_ManufactDeviceID     0x90
#define W25X_JedecDeviceID        0x9F
#define W25X_Enter4ByteMode       0xB7
#define W25X_ReadStatusRegister3      0x15

#define WIP_Flag                  0x01
#define Dummy_Byte                0xFF

读取FLASH芯片ID

根据“JEDEC”指令的时序,我们把读取FLASH ID的过程编写成一个函数,见 代码清单:SPI-7

代码清单:SPI-7 读取FLASH芯片ID
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/**
* @brief  读取FLASH ID
* @param  无
* @retval FLASH ID
*/
u32 SPI_FLASH_ReadID(void)
{
    u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;

    /* 开始通讯:CS低电平 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* 发送JEDEC指令,读取ID */
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID);

    /* 读取一个字节数据 */
    Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* 读取一个字节数据 */
    Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* 读取一个字节数据 */
    Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* 停止通讯:CS高电平 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();

    /*把数据组合起来,作为函数的返回值*/
    Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;

    return Temp;
}

这段代码利用控制CS引脚电平的宏“SPI_FLASH_CS_LOW/HIGH”以及前面编写的单字节收发函数SPI_FLASH_SendByte, 很清晰地实现了“JEDEC ID”指令的时序:发送一个字节的指令编码“W25X_JedecDeviceID”,然后读取3个字节, 获取FLASH芯片对该指令的响应,最后把读取到的这3个数据合并到一个变量Temp中,然后作为函数返回值, 把该返回值与我们定义的宏“sFLASH_ID”对比,即可知道FLASH芯片是否正常。

FLASH写使能以及读取当前状态

在向FLASH芯片存储矩阵写入数据前,首先要使能写操作,通过“Write Enable”命令即可写使能, 见 代码清单:SPI-8

代码清单:SPI-8 写使能命令
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/**
* @brief  向FLASH发送 写使能 命令
* @param  none
* @retval none
*/
void SPI_FLASH_WriteEnable(void)
{
    /* 通讯开始:CS低 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* 发送写使能命令*/
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable);

    /*通讯结束:CS高 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

与EEPROM一样,由于FLASH芯片向内部存储矩阵写入数据需要消耗一定的时间,并不是在总线通讯结束的一瞬间完成的, 所以在写操作后需要确认FLASH芯片“空闲”时才能进行再次写入。为了表示自己的工作状态,FLASH芯片定义了一个状态寄存器, 见图 FLASH芯片的状态寄存器

FLASH芯片的状态寄存器

我们只关注这个状态寄存器的第0位“BUSY”,当这个位为“1”时,表明FLASH芯片处于忙碌状态, 它可能正在对内部的存储矩阵进行“擦除”或“数据写入”的操作。

利用指令表中的“Read Status Register”指令可以获取FLASH芯片状态寄存器的内容, 其时序见图 读取状态寄存器的时序

读取状态寄存器的时序

只要向FLASH芯片发送了读状态寄存器的指令,FLASH芯片就会持续向主机返回最新的状态寄存器内容, 直到收到SPI通讯的停止信号。据此我们编写了具有等待FLASH芯片写入结束功能的函数,见 代码清单:SPI-9

代码清单:SPI-9 通过读状态寄存器等待FLASH芯片空闲
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/*WIP(BUSY)标志:FLASH内部正在写入*/
#define WIP_Flag                  0x01

/**
* @brief  等待WIP(BUSY)标志被置0,即等待到FLASH内部数据写入完毕
* @param  none
* @retval none
*/
void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void)
{
    u8 FLASH_Status = 0;
    /* 选择 FLASH: CS 低 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* 发送 读状态寄存器 命令 */
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg);

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
    /* 若FLASH忙碌,则等待 */
    do
    {
        /* 读取FLASH芯片的状态寄存器 */
        FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
        if ((SPITimeout--) == 0)
        {
            SPI_TIMEOUT_UserCallback(4);
            return;
        }
    }
    while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET); /* 正在写入标志 */

    /* 停止信号  FLASH: CS 高 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

这段代码发送读状态寄存器的指令编码“W25X_ReadStatusReg”后,在while循环里持续获取寄存器的内容并检验它的“WIP_Flag标志”(即BUSY位), 一直等待到该标志表示写入结束时才退出本函数,以便继续后面与FLASH芯片的数据通讯。

FLASH扇区擦除

由于FLASH存储器的特性决定了它只能把原来为“1”的数据位改写成“0”,而原来为“0”的数据位不能直接改写为“1”。 所以这里涉及到数据“擦除”的概念,在写入前,必须要对目标存储矩阵进行擦除操作,把矩阵中的数据位擦除为“1”, 在数据写入的时候,如果要存储数据“1”,那就不修改存储矩阵,在要存储数据“0”时,才更改该位。

通常,对存储矩阵擦除的基本操作单位都是多个字节进行,如本例子中的FLASH芯片支持“扇区擦除”、“块擦除”以及“整片擦除”, 见表 本实验FLASH芯片的擦除单位

本实验FLASH芯片的擦除单位

FLASH芯片的最小擦除单位为扇区(Sector),而一个块(Block)包含16个扇区, 其内部存储矩阵分布见图 FLASH芯片的存储矩阵。。

FLASH芯片的存储矩阵

使用扇区擦除指令“Sector Erase”可控制FLASH芯片开始擦写, 其指令时序见图 扇区擦除时序 (时序图是3字节地址模式下的,当前设备以4字节地址模式运行,需要32位地址)。

扇区擦除时序

扇区擦除指令的第一个字节为指令编码,紧接着发送的3个字节用于表示要擦除的存储矩阵地址。要注意的是在扇区擦除指令前, 还需要先发送“写使能”指令,发送扇区擦除指令后,通过读取寄存器状态等待扇区擦除操作完毕, 代码实现见 代码清单:SPI-10

代码清单:SPI-10 擦除扇区
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/**
* @brief  擦除FLASH扇区
* @param  SectorAddr:要擦除的扇区地址
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr)
{
    /* 发送FLASH写使能命令 */
    SPI_FLASH_WriteEnable();
    SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
    /* 擦除扇区 */
    /* 选择FLASH: CS低电平 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();
    /* 发送扇区擦除指令*/
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase);
    /*发送擦除扇区地址的高8位*/
    SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF000000) >> 24);
    /*发送擦除扇区地址的中前8位*/
    SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);
    /* 发送擦除扇区地址的中后8位 */
    SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);
    /* 发送擦除扇区地址的低8位 */
    SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);
    /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();
    /* 等待擦除完毕*/
    SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
}

这段代码调用的函数在前面都已讲解,只要注意发送擦除地址时高位在前即可。调用扇区擦除指令时注意输入的地址要对齐到4KB。

FLASH的页写入

目标扇区被擦除完毕后,就可以向它写入数据了。与EEPROM类似,FLASH芯片也有页写入命令, 使用页写入命令最多可以一次向FLASH传输256个字节的数据,我们把这个单位为页大小。 FLASH页写入的时序见图 FLASH芯片页写入 (时序图是3字节地址模式下的,当前设备以4字节地址模式运行,需要32位地址)。

FLASH芯片页写入

从时序图可知,第1个字节为“页写入指令”编码,2-4字节为要写入的“地址A”,接着的是要写入的内容,最多个可以发送256字节数据, 这些数据将会从“地址A”开始,按顺序写入到FLASH的存储矩阵。若发送的数据超出256个,则会覆盖前面发送的数据。

与擦除指令不一样,页写入指令的地址并不要求按256字节对齐,只要确认目标存储单元是擦除状态即可(即被擦除后没有被写入过)。 所以,若对“地址x”执行页写入指令后,发送了200个字节数据后终止通讯,下一次再执行页写入指令,从“地址(x+200)”开始写入200个字节也是没有问题的(小于256均可)。 只是在实际应用中由于基本擦除单元是4KB,一般都以扇区为单位进行读写,想深入了解,可学习我们的“FLASH文件系统”相关的例子。

把页写入时序封装成函数,其实现见 代码清单:SPI-11

代码清单:SPI-11 FLASH的页写入
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/**
* @brief  对FLASH按页写入数据,调用本函数写入数据前需要先擦除扇区
* @param pBuffer,要写入数据的指针
* @param WriteAddr,写入地址
* @param  NumByteToWrite,写入数据长度,必须小于等于SPI_FLASH_PerWritePageSize
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u32 NumByteToWrite)
{
    /* 发送FLASH写使能命令 */
    SPI_FLASH_WriteEnable();

    /* 选择FLASH: CS低电平 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();
    /* 写页写指令*/
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram);

    /*发送写地址的高8位*/
    SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF000000) >> 24);
    /*发送写地址的中前8位*/
    SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);
    /*发送写地址的中后8位*/
    SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);
    /*发送写地址的低8位*/
    SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);

    if (NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize) {
        NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;
        FLASH_ERROR("SPI_FLASH_PageWrite too large!");
    }

    /* 写入数据*/
    while (NumByteToWrite--) {
        /* 发送当前要写入的字节数据 */
        SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);
        /* 指向下一字节数据 */
        pBuffer++;
    }

    /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();

    /* 等待写入完毕*/
    SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
}

这段代码的内容为:先发送“写使能”命令,接着才开始页写入时序,然后发送指令编码、地址,再把要写入的数据一个接一个地发送出去, 发送完后结束通讯,检查FLASH状态寄存器,等待FLASH内部写入结束。

不定量数据写入

应用的时候我们常常要写入不定量的数据,直接调用“页写入”函数并不是特别方便,所以我们在它的基础上编写了“不定量数据写入”的函数, 基实现见 代码清单:SPI-12

代码清单:SPI-12不定量数据写入
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/**
* @brief  对FLASH写入数据,调用本函数写入数据前需要先擦除扇区
* @param  pBuffer,要写入数据的指针
* @param  WriteAddr,写入地址
* @param  NumByteToWrite,写入数据长度
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u32 NumByteToWrite)
{
    u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;

    /*mod运算求余,若writeAddr是SPI_FLASH_PageSize整数倍,运算结果Addr值为0*/
    Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;

    /*差count个数据值,刚好可以对齐到页地址*/
    count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;
    /*计算出要写多少整数页*/
    NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
    /*mod运算求余,计算出剩余不满一页的字节数*/
    NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

    /* Addr=0,则WriteAddr 刚好按页对齐 aligned  */
    if (Addr == 0)
    {
        /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */
        if (NumOfPage == 0)
        {
            SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
        }
        else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */
        {
            /*先把整数页都写了*/
            while (NumOfPage--)
            {
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
                WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;
                pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
            }

            /*若有多余的不满一页的数据,把它写完*/
            SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
        }
    }
    /* 若地址与 SPI_FLASH_PageSize 不对齐  */
    else
    {
        /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */
        if (NumOfPage == 0)
        {
            /*当前页剩余的count个位置比NumOfSingle小,写不完*/
            if (NumOfSingle > count)
            {
                temp = NumOfSingle - count;

                /*先写满当前页*/
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
                WriteAddr +=  count;
                pBuffer += count;

                /*再写剩余的数据*/
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);
            }
            else /*当前页剩余的count个位置能写完NumOfSingle个数据*/
            {
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
            }
        }
        else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */
        {
            /*地址不对齐多出的count分开处理,不加入这个运算*/
            NumByteToWrite -= count;
            NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
            NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

            SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
            WriteAddr +=  count;
            pBuffer += count;

            /*把整数页都写了*/
            while (NumOfPage--)
            {
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
                WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;
                pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
            }
            /*若有多余的不满一页的数据,把它写完*/
            if (NumOfSingle != 0)
            {
                SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
            }
        }
    }
}

这段代码与EEPROM章节中的“快速写入多字节”函数原理是一样的,运算过程在此不再赘述。区别是页的大小以及实际数据写入的时候, 使用的是针对FLASH芯片的页写入函数,且在实际调用这个“不定量数据写入”函数时,还要注意确保目标扇区处于擦除状态。

从FLASH读取数据

相对于写入,FLASH芯片的数据读取要简单得多,使用读取指令“Read Data”即可, 其指令时序见图 SPI_FLASH读取数据时序

SPI_FLASH读取数据时序

发送了指令编码及要读的起始地址后,FLASH芯片就会按地址递增的方式返回存储矩阵的内容,读取的数据量没有限制, 只要没有停止通讯,FLASH芯片就会一直返回数据。代码实现见 代码清单:SPI-13

代码清单:SPI-13 从FLASH读取数据
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/**
* @brief  读取FLASH数据
* @param   pBuffer,存储读出数据的指针
* @param   ReadAddr,读取地址
* @param   NumByteToRead,读取数据长度
* @retval 无
*/
void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u32 NumByteToRead)
{
    /* 选择FLASH: CS低电平 */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* 发送 读 指令 */
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData);

    /* 发送 读 地址高8位 */
    SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF000000) >> 24);
    /* 发送 读 地址中前8位 */
    SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);
    /* 发送 读 地址中后8位 */
    SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr& 0xFF00) >> 8);
    /* 发送 读 地址低8位 */
    SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);

    /* 读取数据 */
    while (NumByteToRead--) {
        /* 读取一个字节*/
        *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
        /* 指向下一个字节缓冲区 */
        pBuffer++;
    }

    /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

由于读取的数据量没有限制,所以发送读命令后一直接收NumByteToRead个数据到结束即可。

24.4.2.3. main函数

最后我们来编写main函数,进行FLASH芯片读写校验,见 代码清单:SPI-14

代码清单:SPI-14 main函数
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/* 获取缓冲区的长度 */
#define TxBufferSize1   (countof(TxBuffer1) - 1)
#define RxBufferSize1   (countof(TxBuffer1) - 1)
#define countof(a)      (sizeof(a) / sizeof(*(a)))
#define  BufferSize (countof(Tx_Buffer)-1)

#define  FLASH_WriteAddress     0x00000
#define  FLASH_ReadAddress      FLASH_WriteAddress
#define  FLASH_SectorToErase    FLASH_WriteAddress


/* 发送缓冲区初始化 */
uint8_t Tx_Buffer[] = "感谢您选用野火stm32开发板\r\n";
uint8_t Rx_Buffer[BufferSize];

//读取的ID存储位置
__IO uint32_t DeviceID = 0;
__IO uint32_t FlashID = 0;
__IO TestStatus TransferStatus1 = FAILED;

// 函数原型声明
void Delay(__IO uint32_t nCount);

/*
* 函数名:main
* 描述  :主函数
* 输入  :无
* 输出  :无
*/
int main(void)
{
    LED_GPIO_Config();
    LED_BLUE;

    /* 配置串口1为:115200 8-N-1 */
    Debug_USART_Config();

    printf("\r\n这是一个16M串行flash(W25Q256)实验 \r\n");

    /* 16M串行flash W25Q256初始化 */
    SPI_FLASH_Init();

    Delay( 200 );

    /* 获取 SPI Flash ID */
    FlashID = SPI_FLASH_ReadID();

    /* 检验 SPI Flash ID */
    if (FlashID == sFLASH_ID)
    {
        printf("\r\n检测到SPI FLASH W25Q256 !\r\n");

        /* 擦除将要写入的 SPI FLASH 扇区,FLASH写入前要先擦除 */
        SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);

        /* 将发送缓冲区的数据写到flash中 */
        SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize);
        printf("\r\n写入的数据为:\r\n%s", Tx_Buffer);

        /* 将刚刚写入的数据读出来放到接收缓冲区中 */
        SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);
        printf("\r\n读出的数据为:\r\n%s", Rx_Buffer);

        /* 检查写入的数据与读出的数据是否相等 */
        TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);

        if ( PASSED == TransferStatus1 )
        {
            LED_GREEN;
            printf("\r\n16M串行flash(W25Q256)测试成功!\n\r");
        }
        else
        {
            LED_RED;
            printf("\r\n16M串行flash(W25Q256)测试失败!\n\r");
        }
    }// if (FlashID == sFLASH_ID)
    else
    {
        LED_RED;
        printf("\r\n获取不到 W25Q256 ID!\n\r");
    }

    SPI_Flash_PowerDown();
    while (1);
}

函数中初始化了LED、串口、SPI外设,然后读取FLASH芯片的ID进行校验,若ID校验通过则向FLASH的特定地址写入测试数据, 然后再从该地址读取数据,测试读写是否正常。

注意

由于实验板上的FLASH芯片默认已经存储了特定用途的数据,如擦除了这些数据会影响到某些程序的运行。 所以我们预留了FLASH芯片的“第0扇区(0-4096地址)”专用于本实验,如非必要,请勿擦除其它地址的内容。如已擦除, 可在配套资料里找到“刷外部FLASH内容”程序,根据其说明给FLASH重新写入出厂内容。

24.4.3. 下载验证

用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑,在电脑端打开串口调试助手, 把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到FLASH测试的调试信息。