SPI通信协议

SPI的传输速度比较快，SPI没有规定传输速度，最大传输速度取决于芯片产商的设计需求。

SPI的实现功能没有I2C多

SPI硬件开销比较大，通信线个数比较多，通信过程中，经常有资源浪费的现象

1.SPI通信

• SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
• 四根通信线：SCK（Serial Clock）串行时钟线、MOSI（Master Output Slave Input）主机输出从机输入、MISO（Master Input Slave Output）主机输入从技术出、SS（Slave Select）从机选择
• 同步，全双工
• 支持总线挂载多设备（一主多从）

SCK引脚就是用来提供时钟信号的，数据位的输出和输入都是在SCK的上升或下降沿进行的，这样数据位的手法时刻就可以明确的确定，并且同步时序

一主多从，不支持多主机。

2.SPI硬件和软件规定

2.1SPI硬件电路

SS线都是低电平有效，所以需要哪条线，哪条置低电平就好了

如果三个送机始终都是推挽输出，会导致冲突，所以协议规定当从机的SS引脚为高电平，也就从机未被选中时，MISO引脚必须切换为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），切换是在从机中进行，所以主机不用关系这些问题。

• 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
• 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
• 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

一主三从（本图）

2.2移位示意图

SPI基本的收发电路就是使用了这样一个移位的模型。

左边为SPI主机有一个8位的移位寄存器；右边位SPI从机也有一个8位的移位寄存器。

由主机产生时钟（这里为波特率发生器），它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位，同时通过SCK输出到从机。

数据是往左移动的，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边。从机移位寄存器的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边。

工作流程：波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上，波特率发生器时钟的下降沿，引脚上的位，采样输入到移位寄存器的最低位。

如果只想单方面的发送或接收数据，只需随意发送数据将另一边的数据置换过来就好了。

2.3SPI基本时序单元

2.3.1起始和终止条件

• 起始条件：SS从高电平切换到低电平
• 终止条件：SS从低电平切换到高电平

通信过程种SS保持低电平

2.3.2交换一个字节（模式1）

(Clock polarity)时钟极性和(Clock Phase)时钟相位，每一位都可以配置为1和0，所以有4种模式，功能一样，所以实际学习其中一种就好了

• 交换一个字节（模式1）
• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

MISO介于高电平和低电平之间表示高阻态。

模式0与模式1的区别就是模式0把这个数据变化的时机给提前了。开始就要移出数据，模式0用的最多。

模式2和模式2，分别是模式0和模式1的SCK取反，了解0/1就理解2/3.

2.4SPI波形分析（辅助理解）

SPI没有应答位

2.4.1发送指令

• 发送指令
• 向SS指定的设备，发送指令（0x06）

2.4.2指定地址写

• 指定地址写
• 向SS指定的设备，发送写指令（0x02）， 随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

2.4.3指定地址读

• 指定地址读
• 向SS指定的设备，发送读指令（0x03）， 随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

3.W25Q64

3.1简介

• W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景
• 存储介质：Nor Flash（闪存）
• 时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)
• 存储容量（24位地址）：
  • W25Q40： 4Mbit / 512KByte
  • W25Q80： 8Mbit / 1MByte
  • W25Q16： 16Mbit / 2MByte
  • W25Q32： 32Mbit / 4MByte
  • W25Q64： 64Mbit / 8MByte
  • W25Q128： 128Mbit / 16MByte
  • W25Q256： 256Mbit / 32MByte

字库存储：如果是少量的可以使用库函数导入使用，如果需要大量的可以添加点阵进行显示。

固件程序：使用外挂设备进行

时钟频率：160/320MHz，本质上都是80MHz，只是一次性发送/接收一个字节和

一次性发送/接收两个字节/四个字节的区别。效率高了频率也高了，但本质还是80MHz。

W25Q256:24位地址最多可存储16MHz（2^24/1024/1024)的数据，32MHz的存不下。

分为3字节地址模式和4字节地址模式，3字节模式下，只能读写前16MB的数据。要想读取到所有的存储单元，可以进入4字节地址的模式 。

3.2硬件电路（引脚说明）

1号引脚/CS：有个斜杆表示低电平有效

3号引脚WP(write rotect)：写保护，配合内部的寄存器配置。写保护低电平有效，高电平无效

7号引脚HOLED：数据保持，低电平有效。

$I{O}_{0/1/2/3}$： 普通的SPI模式不用关注括号里的数据，使用双重SPI，DI和DO变成IO0/1，使用四重SPI，WP和HOLED为IO2/3。

3.3框图

可读取状态寄存器的busy位置是否为1，判断是否在搬砖（工作）

重点部分：

1. flash的空间划分，划分为块、扇区和页
2. SPI控制逻辑，就是整个芯片的管理员，执行指令、读取数据都靠它
3. 状态寄存器，忙状态，写使能、写保护等功能和它有关
4. 256字节的页缓存，它会对一次性写入的数据量，产生限制

3.4手册重要点

状态寄存器1：

1. BUSY：当设备正在执行页编程。页编程就是写入数据，扇区擦除、块擦除、整片擦除、或者写状态寄存器指令时，BUGY位置１．在这期间，设备会忽略进一步的指令，除了读状态寄存器和擦除挂起指令。当编程、擦除、写状态寄存器指令结束后，BUGY清零来指示设备准备好了。
2. Write　Enable　Latch（WEL）：使能锁存位WEL，在执行完写使能指令后，WLE置1，代表芯片可以进行写入操作，当设备写失能时，WL位清0。一是，上电后芯片默认写失能；二是，在执行完这些指令之后（包括，我们发送了失能指令，页编程、扇区擦除等等，WEL会＝0），表明，当我们先写使能，再执行写入数据操作后，不需要再手动写入失能，也说明每个操作前都需要手动使能。

4.Flash操作注意事项

写入操作时：

• 写入操作时：写入操作前，必须先进行写使能
• 每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1
• 写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1
• 擦除必须按最小擦除单元进行
• 连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖
• 写入写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作

读取操作时：

• 直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

5.软件SPI读取W25Q64（实操）

5.1接线图

5.2程序整体框架

1. 建立一个MySPI模块，包含通信引脚封装，初始化，以及SPI通信的3个拼图（起始、终止和交换一个字节），通信层内容
2. 建立一个W25Q64的硬件驱动层，基于SPI层建立一个W25Q64模块，在这个模块里，调用底层SPI的拼图来拼接各种指令和功能的完整时序，比如写失能、擦除、页编程、读数据等等
3. 主函数，调用驱动层的函数完成想要实现的功能

5.3代部分

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "KEY.h"
#include "OLED.h"
//#include "OLED_Font.h"
#include "W25Q64.h"


uint8_t MID;
uint16_t DID;

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};	//定义要写入数据的测试数组
uint8_t ArrayRead[4];								//定义要读取数据的测试数组

int main(void){
	
		/*模块初始化*/
	OLED_Init();						//OLED初始化
	W25Q64_Init();						//W25Q64初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");

	/*显示ID号*/
	W25Q64_ReadID(&MID, &DID);			//获取W25Q64的ID号
	OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);		//显示MID
	OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);		//显示DID	
	
	W25Q64_SectorErase(0x000000);		//扇区擦除
	W25Q64_PageProgram(0x000000,ArrayWrite,4);//将写入数据的测试数组写入到W25Q64中
	
	W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);		//读取刚写入的测试数据到读取数据的测试数组中
	
	/*显示数据*/
	OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);		//显示写入数据的测试数组
	OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);
	
	OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);			//显示读取数据的测试数组
	OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
	while(1){
		
	}
}

MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

//引脚配置层

//配置SS电平，PA4设置
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}

//写SCK电平，PA5设置
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue);
}

//MOSI电平，PA7设置
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

//MISO电平,PA6接收
uint8_t MySPI_R_MISO()
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6);
}

//SPI初始化
void MySPI_Init()
{	
	//开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	//GPIO初始化
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 |GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	//设置默认电平
	MySPI_W_SS(1);
	MySPI_W_SCK(0);
}

//SPI起始
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

//SPI终止
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

//SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	uint8_t i,ByteReceive = 0x00;
	
	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		MySPI_W_MOSI(!!(ByteSend & (0x80 >> i)));
		MySPI_W_SCK(1);
		if(MySPI_R_MISO()){
			ByteReceive |= (0x80 >> i);
		}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	return ByteReceive;
}

W25Q64.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_lns.h"

//初始化W25Q64

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

//MPU6050读取ID号
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID,uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	MySPI_Stop();
}

//写使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();								//SPI起始
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);		//交换发送写使能的指令
	MySPI_Stop();								//SPI终止
}


//等待忙
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timerout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timerout = 100000;
	while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01)==0x01)
	{
		Timerout --;
		if(Timerout == 0)
		{
			break;		//超时跳出等待
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

//W25Q64页编程
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address,uint8_t *DataArray,uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable();					//写使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);	//交换发送页编程的指令
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);			//交换发送地址23~16位
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);			//交换发送地址
	MySPI_SwapByte(Address);				//交换发送地址7~0位
	for(i = 0;i<Count;i++)					//循环Count
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();							//SPI停止
	
	W25Q64_WaitBusy();
	
}

//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();						//写使能
	
	MySPI_Start();								//SPI起始
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);	//交换发送扇区擦除的指令
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);				//交换发送地址23~16位
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);				//交换发送地址15~8位
	MySPI_SwapByte(Address);					//交换发送地址7~0位
	MySPI_Stop();								//SPI终止
	
	W25Q64_WaitBusy();							//等待忙
}

5.4总结

5.4.1核心步骤

软件 SPI 实现 W25Q64 读写的核心步骤

1. SPI 协议初始化
   • 配置 GPIO（SCK、MOSI、MISO、CS）
   • 设置 SPI 模式（W25Q64 常用模式 0或模式 3）
   • 定义位操作函数（如SCK_HIGH()、MOSI_WRITE(bit)）
2. W25Q64 操作流程
   • 片选使能（CS 拉低）
   • 发送命令（如0x03= 读数据、0x20= 扇区擦除）
   • 发送 24 位地址（按高、中、低字节顺序）
   • 数据传输（读 / 写数据）
   • 片选失能（CS 拉高）
3. 关键注意事项
   • 写操作前必须使能：每次写 / 擦除前需发送WRITE_ENABLE(0x06)命令
   • 擦除单位：最小擦除单位为4KB 扇区（SECTOR_ERASE），地址需按 4KB 对齐
   • 状态检查：写 / 擦除操作后需读取状态寄存器（READ_STATUS_REG1(0x05)），等待BUSY=0

5.4.2重点总结

关键总结

1. 通信流程：CS 拉低 → 发命令 → 发地址 → 读写数据 → CS 拉高
2. 时序严格：软件 SPI 需精确控制 SCK 高低电平延时（根据 MCU 速度调整）
3. 擦除限制：擦除前需确保地址对齐（如 4KB 倍数），且每次擦除耗时约 40ms
4. 状态检测：所有写 / 擦除操作后必须等待BUSY=0才能继续后续操作

5.4.3手写部分

在获取完芯片ID之后测试一下

地址自动自增到，上一位地址的后面

项**

• 写操作前必须使能：每次写 / 擦除前需发送WRITE_ENABLE(0x06)命令
• 擦除单位：最小擦除单位为4KB 扇区（SECTOR_ERASE），地址需按 4KB 对齐
• 状态检查：写 / 擦除操作后需读取状态寄存器（READ_STATUS_REG1(0x05)），等待BUSY=0

5.4.2重点总结

关键总结

1. 通信流程：CS 拉低 → 发命令 → 发地址 → 读写数据 → CS 拉高
2. 时序严格：软件 SPI 需精确控制 SCK 高低电平延时（根据 MCU 速度调整）
3. 擦除限制：擦除前需确保地址对齐（如 4KB 倍数），且每次擦除耗时约 40ms
4. 状态检测：所有写 / 擦除操作后必须等待BUSY=0才能继续后续操作

5.4.3手写部分

在获取完芯片ID之后测试一下

地址自动自增到，上一位地址的后面

不擦除的话：读出的数据 = 原始数据&写入的数据