STM32学习笔记(八) SPI总线(操作外部flash)

1. SPI总线简介

　　SPI全称串行外设接口，是一种高速，全双工，同步的外设总线；它工作在主从方式，常规需要至少4根线才能够正常工作。SPI作为基本的外设接口，在FLASH，EPPROM和一些数字通讯中，具有广泛的应用。SPI总线由四个接口构成：

CS ：片选端，由主设备控制

MISO：主设备输入，从设备输出

MOSI：主设备输出，从设备输入

SCK ：时钟信号

　　其中SCK仅能由主设备提供，且接收和发送和同时产生的，因此在主设备接收数据时也要先发送数据从而为从设备提供时钟；根据SPI时钟信号配置相关说明，SPI的时钟相位和极性由CPOL和CPHA两位控制共有四种不同的工作时序。

STM32学习笔记(八) SPI总线(操作外部flash)

其中CPOL：0 空闲状态低电平 1 空闲时候高电平

CPHA： 0 第一个边沿采样 1 第二个边沿采样

2. 工作原理图

　　了解了SPI总线，下面就开始进入正题，通过SPI总线操作外部flash(W25X16)。首先确定开发板原理图对应的端口连接：

STM32学习笔记(八) SPI总线(操作外部flash)

从上可以得出 CS：PB9 SCK：PA5

　　　　　　 MISO：PA6 MOSI：PA7

不过因为开发板的资源有限，SD卡和外部flash共用SPI总线，因此在读取SPI FLASH之前要关闭SD卡的片选端，避免出现总线冲突。

了解了这些，就可以开始SPI_FLASH驱动硬件部分的编写了。

3. SPI硬件驱动

SPI端口配置比较简单，主要包含端口时钟启动，端口功能配置，初始化即可

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB                                             |RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

/*SD_CS Disable PD11*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SD_CS_Pin;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_Init(SD_CS_Port, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(SD_CS_Port, SD_CS_Pin);

/*SPI1_CS 端口配置*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_CS_Pin;

GPIO_Init(SPI1_CS_Port, &GPIO_InitStructure);

SPI1_CS_Disable();

/*SPI1_SCK 端口配置*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_SCK_Pin;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_Init(SPI1_SCK_Port, &GPIO_InitStructure);

/*SPI1_MISO 端口配置*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_MISO_Pin;

GPIO_Init(SPI1_MISO_Port, &GPIO_InitStructure);

/*SPI1_MOSI 端口配置*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_MOSI_Pin;

GPIO_Init(SPI1_MOSI_Port, &GPIO_InitStructure);

SPI功能配置主要包含上面我提到的主从设备，时钟相位和极性，发送数据长度和顺序(STM32本身集成功能，与SPI本身关系不大）等，具体配置如下：

SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

SPI_InitStructure.SPI_Direction =    SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;    //SPI工作在双向双线模式

SPI_InitStructure.SPI_Mode      = SPI_Mode_Master;                       //CPU的SPI工作在主机模式

SPI_InitStructure.SPI_DataSize  = SPI_DataSize_8b;                       //SPI传输数据帧长度为8字节

SPI_InitStructure.SPI_CPOL      = SPI_CPOL_High;                         //空闲时SCK高电平    MODE3模式

SPI_InitStructure.SPI_CPHA      = SPI_CPHA_2Edge;                     　　//第二个下降沿接收/发送数据

SPI_InitStructure.SPI_NSS       = SPI_NSS_Soft;                          //启用软件从设备管理

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;       //波特率为Pclk2/4

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                       //高位先发送

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = ;                                 //默认CRC校验多项式 x^2+x+1

SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

　　STM32因为SPI总线已经集成在CPU内部，因此配置起来十分简单，仅修改部分寄存器就可以实现对于SPI总线的配置，用于操作外部设备，不过涉及到外部设备的通讯并没有这么简单，这涉及读取和操作芯片的时序和指令，下面我以开发板上的W25X16外部flash为例，讲解SPI总线的实际运用。

4. SPI总线操作W25X16

外部flash的操作比较简单，总结起来仅读寄存器，写寄存器，读数据，写数据，擦除数据，读ID这6种工作模式，如W25X16指令表如下：

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参照该表，程序中就可以有如下flash操作指令定义

/*外部flash相关指令*/

#define Flash_WriteEnable            0x06

#define Flash_WriteDisable            0x04

#define Flash_ReadStatusReg            0x05

#define Flash_WriteStatusReg        0x01

#define Flash_ReadData                0x03

#define Flash_FastReadData            0x0B

#define Flash_FastReadDual            0x3B

#define Flash_PageProgram            0x02

#define Flash_BlockErase            0xD8

#define Flash_SectorErase            0x20

#define Flash_ChipErase                0xC7

#define Flash_PowerDown            0xB9

#define Flash_ReleasePowerDown            0xAB

#define Flash_ManufactDeviceID            0x90

#define Flash_JedecDeviceID            0x9F

#define Flash_NoBusy                0xA5

flash Instruction

可以看出外部flash主要包含擦除，读寄存器，写入寄存器，读数据，写数据，读ID这几种方式。

(1). flash单字节收发

　　根据上面SPI总线的说明，SPI的写入和读出是同时发生的，且时钟只能由主设备提供，因此SPI总线的收发由同一个函数完成。如下：

 /*等待SPI发送数据寄存器为空时，发送1字节数据*/

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)

{

}

 SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);

/*在发送数据同时，SPI_MISO引脚会读取管脚数据，等待读取寄存器非空*/

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)

{

}

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

当然，实际项目中在while循环内部需要添加超时时钟，避免因为可能出现的SPI硬件出错而导致整个系统停止的问题。

(2). flash擦除

　　外部flash的擦除主要包含sector（扇区）擦除，block（块）擦除，chip（整片）擦除。其中扇区擦除4kb，块擦除64kb, flash的擦除按照芯片资料上要求，擦除需要3步：

1.写入允许（0x06）

2.擦除指令（0x20）

3. 写入擦除地址(24bit), 分三次发送

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由时序可知，擦除片代码如下：

void SPI_EraseSector(u32 SectorAddress)

{

    SectorAddress = (SectorAddress>>)<<; //确定擦除块的首地址

    SPI_Write_Enable();                      //允许写入

    SPI1_CS_Enable();

    SPI_SendWrite_Byte(Flash_SectorErase);   //写入擦除指令

    /*写入带擦除的扇区*/

    SPI_SendWrite_Byte((SectorAddress&0xFF0000)>>);

    SPI_SendWrite_Byte((SectorAddress&0xFF00)>>);

    SPI_SendWrite_Byte(SectorAddress&0xFF);

    SPI1_CS_Disable();

    SPI_WaitWriteEnd();

}

(3). 数据读取

数据读取包含3步，1.写入读取指令 2.写入待读取数据地址 3.读取flash内部数据。如此便完成外部flash的读取。

void SPI_Read(u8 *pBuffer,u32 ReadAddress,u16 ReadByteNum)

{

    SPI1_CS_Enable();

    SPI_SendWrite_Byte(Flash_ReadData);    //写入读取指令

    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress >> ); //写入待读取数据地址

    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress >> );

    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress);

    /*读取数据*/

    while(ReadByteNum--)

    {

        *pBuffer = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);

        pBuffer++;

    }

    SPI1_CS_Disable();

}

（4）数据写入

数据写入包含4步，1.写入允许 2.写入数据写入指令 3.写入数据存储地址 4.写入数据。如此便完成外部flash的写入。

void SPI_PageWrite(u8 *pBuffer, u32 PageAddress,u16 WriteByteNum)

{

    SPI_Write_Enable();                        //写入允许

    SPI1_CS_Enable();

    SPI_SendWrite_Byte(Flash_PageProgram);    //写入存储指令

    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress >> );    //写入存储地址

    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress >> );

    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress);

    if(WriteByteNum > )

    {

        WriteByteNum = ;

        printf("\n\r Err: SPI_PageWrite too large!");

    }

    /*写入数据*/

    while(WriteByteNum--)

    {

        SPI_SendWrite_Byte(*pBuffer);

        pBuffer++;

    }

  SPI1_CS_Disable();

    SPI_WaitWriteEnd();

}

（5）ID读取

ID读取比较简单，主要用来测试硬件是否成功，具体代码如下

u32 SPI_ReadID(void)

{

    u32 ID_Temp,temp_h,temp_m,temp_l;

    SPI1_CS_Enable();

    SPI_SendWrite_Byte(Flash_JedecDeviceID);

    temp_h = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);

    temp_m = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);

    temp_l = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);

    SPI1_CS_Disable();

    ID_Temp = (temp_h << )|(temp_m << )|temp_l;

    return ID_Temp;

}

上面便是SPI总线基本操作了，具体可参考代码：

http://files.cnblogs.com/files/zc110747/6.SPI-Flash.7z

根据代码中设计以及通过串口输出如下图，可以判断成功实现了SPI-flash的读，写和擦除的工作。

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