STM32中的SPI通信协议

news2025/7/24 10:23:16

IIC和SPI的对比

  1. IIC是半双工的通信，无法同时收发信息；SPI是全双工通讯，可以同时收发信息；
  2. IIC的通讯协议较复杂，而SPI通讯协议较简单；
  3. IIC需要通过地址选择从机，而SPI只主要一个引脚即可选中从机；
  4. IIC的通讯速率一般是100kH左右，而SPI可达50MHz；
  5. IIC的通讯线较少，而SPI需要较多。

SPI的介绍

什么是SPI ？

        SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速 全双工 同步的通信总线，并且在芯片上只有四个引脚，同时PCB布线上节省空间，比较方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如 AT91RM9200 。

SPI的物理架构

SPI总线包含4个通讯线，分别是 SS , MISO , MOSI , SCL 。他们的 作用 如下：

  • MISO – Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出
  • MOSI – Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入
  • SCK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生
  • CS – Chip Select，片选信号，由主设备控制

STM32F1 系列芯片有 3 个SPI 接口。

SPI工作原理

  • 上述中是高位先行；
  • 习惯上利用0XFF将从机上的数据交换出来。 

  • SPI通信只有主模式和从模式，没有明确的读和写操作之分。实际上，外设的写操作和读操作是同步完成的。在SPI通信中，发送一个数据必然会收到一个数据；如果要接收一个数据，就必须先发送一个数据。

  • 如果只进行写操作，主机可以忽略从设备传输过来的字节，因为主机不需要接收数据。

  • 如果主机要读取从设备的一个字节，那么主机必须发送一个空字节来引发从设备的传输。

说明：（狸猫换太子） 

        上述中主机和从机 高位先行，主机移位寄存器中，高位移出，其余整体向左移一位；同时，从机中的高位移到主机的低位中的空位，从机其余位向左移一位；主机的高位放到从机移位寄存器中空出来的低位。通过波特率发生器：一个时钟信号主从机中数据交换一位，8个时钟信号后，数据全部交换完成。

具体流程：

SPI 通信中，主机和从机都有一个串行移位寄存器。主机通过向自己的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起传输。

  1. 首先，拉低相应的 SS 信号线，表示与特定的从机进行通信。
  2. 主机通过发送 SCLK 时钟信号告诉从机进行数据的读写操作。
  3. 注意，SCLK 时钟信号可以是低电平有效或高电平有效，因为SPI有不同的模式（下文将介绍）。
  4. 主机将要发送的数据写入发送数据缓冲区，然后通过移位寄存器逐位地将数据传输给从机的串行移位寄存器，使用 MOSI 信号线进行传输。同时，从机的 MOSI 接口接收到的数据也经过移位寄存器一位一位地移到接收缓冲区。
  5. 从机也通过 MISO 信号线将自己串行移位寄存器中的内容返回给主机。同时，从机通过MOSI 信号线接收主机发送的数据。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
  • 框图（参考手册）： 

  •  简图：

SPI工作模式 

时钟极性（CPOL）

没有数据传输时时钟线SCL的空闲状态电平

0：SCK在空闲状态保持低电平

1：SCK在空闲状态保持高电平

时钟相位（CPHA）

 时钟线（SCK）在第几个时钟边沿采样数据

0：SCK在第一个（奇数）边沿进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存；

1：SCK的第二个（偶数）边沿进行数据位采样，数据在第二个时钟边沿被锁村。

SPI的工作模式（开始和采样）
SPI 工作模式
CPOL
CPHA
SCL 空闲状态
采样边沿
采样时刻
000低电平上升沿奇数边沿
101低电平下降沿偶数边沿
210高电平下降沿奇数边沿
311高电平上升沿偶数边沿

 注：红色字体是常用的：模式0和模式3

 时序图

  • 模式0时序图：

  • 模式3时序图 ：

STM32F103板上SPI的引脚

  • SPI1引脚: 

  •  SPI2引脚：

  •  SP3引脚 

  • STM32F1系列根据Flash和RAM容量分为不同型号：

    • 低/中容量（Low/Medium-density）：如STM32F103C8T6（64KB Flash），仅支持SPI1和SPI2。

    • 高容量（High-density）：如STM32F103ZE（512KB Flash），额外支持SPI3。

  • SPI3是高容量型号的专属外设，STM32F103C8T6作为中容量型号，硬件上未集成SPI3模块。

 SPI寄存器（控制、状态、数据）

 SPI控制寄存器 1(SPI_CR1)(I2 S模式下不使用)

SPI控制寄存器 2(SPI_CR2) 

 SPI 状态寄存器(SPI_SR)

  SPI 数据寄存器(SPI_DR)

SPI的库函数（常用的有三个） 

初始化SPI的函数： 

数据发送的函数 ：

数据接收的函数： 

 常用的是：既发送又接受的函数

 模块：W25Q128存储器介绍

电脑保存数据的有RAM、ROM、FLASH （类似于硬盘，断电保存的数据不丢失）

W25Q128是华邦公司推出的一款容量为 128M-bit（相当于 16M-byte）的 SPI 接口的 NOR Flash 芯片。

  • NOR Flash：一种非易失性存储器，它可以在断电或掉电后仍然保持存储的数据，因此被广泛应用于长期数据存储。它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除的特性。Flash 是有一个物理特性：只能写 0 ，不能写 1 ，写 1 靠擦除。（读、改、写）

它还有很多不同容量的好兄弟： 

型号容量
W25Q256256M bits = 32M bytes
W25Q128128M bits = 16M bytes
W25Q6464M bits = 8M bytes
W25Q3232M bits = 4M bytes
W25Q1616M bits = 2M bytes
W25Q808M bits = 1M bytes

 W25Q128模块参数及引脚介绍

 参数：

  • 产品容量：128M-bit（16M-byte）
  • 时钟频率：<=104MHz
  • 工作电压：2.7V ~ 3.6V
  • 工作温度：-40℃ ~ +85℃
  • 支持 SPI 接口

参考接线： 

W25Q128STM32备注
VCC3.3（5.5v会烧掉）电源正极
CSA4 / B12片选信号
DOA6 / B14输出
GNDG电源负极
CLKA5 / B13时钟信号
DIA7 / B15输入

W25Q128存储架构

W25Q128 将 16M 的容量分为 256 个块（block），每块 64K 字节；每块分为 16 个扇区（sector），一扇区 4K 字节；每扇区分为 16 个页（page），一页 256 字节。

 这里不好理解的话，和书进行类比：

W25Q128 256 个块（block）:每块 64K 字节每块16 个扇区：4K 字节每扇区分为 16 个页（page）一页 256 字节
书256 章: 每章64K字每章 16小节：4K 字每一小节有16 页一页 256 字

地址范围:

 128M-bit = 16M-byte = 16 x 2^10K-byte = 16 x 2^10 x 2^10 byte = 2^24 byte = 16，777，216 个字节。

        上述中，一个字节代表一个地址，总共是24位的地址，将2^24的字节数量转化成16进制就是0xFFF FFF。所以，地址范围（0x0~0xFFF FFF）。

        W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。这样我们需要给 W25Q128 开辟一个至少 4K 的缓存区。 

 W25Q128常用指令

指令（HEX）名称作用
0x06写使能写入数据/擦除之前，必须先发送该指令
0x05读 SR1判定 FLASH 是否处于空闲状态，擦除用
0x03读数据读取数据
0x02页写写入数据，最多写256字节
0x20扇区擦除扇区擦除指令，最小擦除单位

 具体工作时序如下:

  • 写使能 (06H)

执行页写，扇区擦除，块擦除，片擦除，写状态寄存器等指令前，需要写使能。

拉低 CS 片选 → 发送 06H → 拉高 CS 片选

  • 读SR1（05H）

拉低 CS 片选 → 发送 05H → 返回SR1的值 → 拉高 CS 片选

  • 读数据（03H）

拉低 CS 片选 → 发送 03H → 发送24位地址 （封装函数）→ 读取数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

  • 页写 (02H)

页写命令最多可以向FLASH传输256个字节的数据。

写使能->拉低 CS 片选 → 发送 02H → 发送24位地址 → 发送数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

  • 扇区擦除（20H）

写入数据前，检查内存空间是否全部都是 0xFF ，不满足需擦除。

写使能 - 等待空闲-拉低 CS 片选 → 发送擦除 20H→ 发送24位地址 → 拉高 CS 片选-等待空闲

W25Q128状态寄存器​

W25Q128 一共有 3 个状态寄存器，它们的作用是跟踪芯片的状态。

这里我们只介绍常用的状态寄存器 1：

我们需要记住的是在状态寄存器 1 中：

BUSY：指示当前的状态，0 表示空闲；1 表示忙碌。

WEL：写使能锁定，为 1 时，可以操作页/扇区/块；为 0 时，写禁止。

小实验1：W25Q128的实验（封装SPI接口）

实验目的：

读写W25Q128

硬件清单：

W25Q128、开发板、ST-Link、USB转TTL

硬件接线：

STM32
W25Q128
PA4
CS
PA5
CLK
PA6
DO
PA7
DI
3V3
VCC
GND
GND

w25q128.c文件代码：

流程：

  1. 初始化SPI的函数；
  2. 初始化SPI各个引脚的函数；注意各引脚要求的输入输出模式。
  3. 封装一个发送和接受一个字节的函数：利用HAL_SPI_TransmitRecive（）函数实现。
#include "w25q128.h"

SPI_HandleTypeDef spi_handle = {0};
void w25q128_spi_init(void){
    
    spi_handle.Instance = SPI1;
    spi_handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //配置成主模式还是从模式
    spi_handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;                 //配置全双工还是半双工
    spi_handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;      //数据的长度：8bit
    spi_handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;      //CPOL = 0
    spi_handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;          //CPHA = 奇数边沿检测
    spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               //软件控制SS引脚配置
    spi_handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;    //波特率分频 ：256
    spi_handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;             //高位先行还是低位先行：高位先行
  
    //下面这三个先不需要考虑
    spi_handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCPolynomial = 7;
    
    HAL_SPI_Init(&spi_handle);
}


void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi){
    if(hspi->Instance == SPI1){
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();
        
        GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
        
        //NSS引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_4;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
        gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;
        gpio_initstruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
        //SCL引脚和输出引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5 |GPIO_PIN_7;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
        //输入引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_6;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
    } 
}

uint8_t w25q128_spi_swap_byte(uint8_t data){
    
    uint8_t recv_data = 0;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle,&data, &recv_data,1,1000);  ///size:尺寸代表是多少个字节
    return recv_data;
}

 小实验2:封装读取芯片ID接口

文件代码：（在实验1的基础上添加）

  • 发送的指令：

  • 返回的数据 

  • 上述中，发送的字节：FLASH_ManufactureDivceID是 0x90。 
  • 上述，由于返回的是两个八位的数，将其保存在一个16位的变量中，因此使用位运算符。

小实验3：读写W25Q128（封装命令接口） 

文件代码：

  • w25q128.c文件代码：

代码配置流程：

  1. 初始化spi函数；
  2. 初始化GPIO的函数MspInit（）；
  3. 封装数据交换的函数；HAL_SPI_TransmitRecive ( )。
  4. 接下来封装指令的函数：使能、读状态寄存器1（判断busy位，封装等待空闲的函数while（））、读数据、页写、擦除等指令。
  5. 在主函数中：擦除、写数据、读数据。
#include "w25q128.h"

SPI_HandleTypeDef spi_handle = {0};
void w25q128_spi_init(void){
    
    spi_handle.Instance = SPI1;
    spi_handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;    //配置成主模式还是从模式
    spi_handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;                 //配置全双工还是半双工
    spi_handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;      //数据的长度：8bit
    spi_handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;      //CPOL = 0
    spi_handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;          //CPHA = 奇数边沿检测
    spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               //软件控制SS引脚配置
    spi_handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;    //波特率分频 ：256
    spi_handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;             //高位先行还是低位先行：高位先行
  
    //下面这三个先不需要考虑
    spi_handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCPolynomial = 7;
    
    HAL_SPI_Init(&spi_handle);
}


void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi){
    if(hspi->Instance == SPI1){
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();
        
        GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
        
        //NSS引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_4;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
        gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;
        gpio_initstruct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
        //SCL引脚和输出引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5 |GPIO_PIN_7;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
        //输入引脚
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_6;
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_initstruct);
        
    } 
}

uint8_t w25q128_spi_swap_byte(uint8_t data){
    
    uint8_t recv_data = 0;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle,&data, &recv_data,1,1000);  ///size:尺寸代表是多少个字节
    return recv_data;
}

//初始化w25q128模块
void w25q128_init(void){
    w25q128_spi_init();
}

//测试：读ID
uint16_t w25q128_read_id(void){
    uint16_t device_id = 0;
    
    W25Q128_CS(0);
    
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ManufactDeviceID);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    
    device_id = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye) << 8;  /* 将数据放在高8位 */
    device_id |= w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);      /* 利用 |= 将数据放在低8位，并保留高8位的数据 */
    
    W25Q128_CS(1);
    
    return device_id; 
}

//写使能

void w25q128_write_enable(void)
{
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_WriteEable);
    W25Q128_CS(1);
}

//读SR1寄存器
uint8_t w25q128_read_sr1(void){
    
    uint8_t recv_data = 0;
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadStatusReg1);
    recv_data = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);
    W25Q128_CS(1);
    return recv_data;
}

//发送地址的函数
void w25q128_send_address(uint32_t address){   //地址是3个字节，先发送高位，在发送中位，最后发送低位
    
    w25q128_spi_swap_byte(address >> 16);//高位
    w25q128_spi_swap_byte(address >> 8);  //中位：由于函数是一个8位的，因此，移动后数据后，高位自动去掉。
    w25q128_spi_swap_byte(address);
}

//忙等待的函数
void w25q128_wait_busy(void){
    
    while ((w25q128_read_sr1() & 0x01) == 0x01);  //判断最后一位是不是1
}

//读数据
void w25q128_read_data(uint32_t address,uint8_t *data,uint32_t size){
    
    uint32_t i = 0;
    
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadDate);
    w25q128_send_address(address);
    
    for(i = 0;i< size; i++)
       data[i] =  w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyBtye);
    W25Q128_CS(1);
    
}
//页写:写的是256个字节，
void w25q128_write_page(uint32_t address,uint8_t *data,uint16_t size){   //代表的是字节数量
    
    uint16_t i = 0;
    
    w25q128_write_enable();
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_PageProgram);
    w25q128_send_address(address);
    
    for(i = 0;i < size; i++)
       w25q128_spi_swap_byte(data[i]);
    W25Q128_CS(1);
    
    //忙等待，写入数据是需要花费时间的；看状态寄存器的最后一位是0还是1
    w25q128_wait_busy();
}
//扇区擦除
void w25q128_erase_sector(uint32_t address){
    w25q128_write_enable();
    w25q128_wait_busy();
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_SectorErase);
    w25q128_send_address(address);
    W25Q128_CS(1);
    w25q128_wait_busy();
}
//如何指定变量的数据类型是多少
  • w25128.h文件代码 
  • 定义一个宏函数：读取CS引脚的电平，是高电平还是低电平；
  • 将指令表进行宏定义，便于读写方便。
#ifndef __W25Q128_H__
#define __W25Q128_H__
#include "stm32f1xx.h"

#define W25Q128_CS(x)  do{x ? \
                            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET): \
                            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_RESET);\
                       }while(0)

/* 指令表 */
#define FLASH_ManufactDeviceID          0x90
#define FLASH_WriteEable                0x06
#define FLASH_ReadStatusReg1            0x05
#define FLASH_ReadDate                  0x03
#define FLASH_PageProgram               0x02
#define FLASH_SectorErase               0x20
#define FLASH_DummyBtye                 0xFF                       

void w25q128_init(void);
uint16_t w25q128_read_id(void);
void w25q128_read_data(uint32_t address,uint8_t *data,uint32_t size);
void w25q128_write_page(uint32_t address,uint8_t *data,uint16_t size);
void w25q128_erase_sector(uint32_t address);                       
#endif
  • main.c文件代码 
#include "sys.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "uart1.h"
#include "w25q128.h"
uint8_t data_write[4] = {0xAA,0xBB,0xEE,0xDD};
uint8_t data_read[4] = {0};

int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    led_init();                         /* LED初始化 */
    uart1_init(115200);
    printf("hello,world\r\n");
    w25q128_init();
    uint16_t device_id = w25q128_read_id();
    printf("device_id = %X \r\n",device_id);  /* %X是16进制，返回EF17 */
    
    
    w25q128_erase_sector(0x000000);
    w25q128_write_page(0x000000,data_write,4);
    w25q128_read_data(0x000000,data_read,4);
    
    printf("data_read: %X,%X,%X,%X\r\n",data_read[0],data_read[1],data_read[2],data_read[3]);
    while(1)
    {
        
    }
}

总结： 

  • 相关的位运算符的使用：判断第一位是0 还是 1： & =  0x01、<<、将数据放在高8位 << 8、将数据放在低八位利用  “|  =”  ；
  • 熟悉模块的相关指令；读、写、擦除、读寄存器状态、使能。

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