基于STM32与NOR FLASH的SPI通信

发表于 2024-3-31 21:15

基于STM32与NOR FLASH的SPI通信http://blog.csdn.net/qq_29344757/article/details/77046724
SPI的通信很容易实现，相比之下，驱动FLASH反而耗费了我学习SPI整个过程的大部分时间。下面是我学习过程的一些记录。

硬件平台：秉火ISO_V2开发板
实现功能：STM32使用SPI协议读写板载NOR FLASH
1. 通讯引脚
SPI通讯需要4个引脚，nSS、SCK、MISO和MOSI，

以STM32的SPI1为例，其关联GPIO如上图标(摘自《STM32中文参考手册_V10.pdf》-P120)。AFIO_MAPR寄存器的BIT0(SPI1_REMAP)为0时则不重映射SPI1的4个GPIO，nSS、SCK、MISO和MOSI依次为PA4、PA5、PA6、PA7。我们使用寄存器的复位值为0x00，即我们不重映射SPI1关联引脚。开发板原理图的设计也确实如此：

另外，一般在实际工程中，nSS引脚不采用硬件SPI专用的nSS引脚，而是用STM32的一个普通GPIO功能来控制。

发表于 2024-3-31 21:16

软件设计
2.1 SPI初始化结构体
typedef struct
{
uint16_t SPI_Direction;       //SPI的单双向模式
uint16_t SPI_Mode;             //SPI的主/从机模式
uint16_t SPI_DataSize;       //SPI的数据帧长度，8/16位可选
uint16_t SPI_CPOL;             //空闲时钟极性，高低电平
uint16_t SPI_CPHA;             //时钟相位，即奇偶边沿采样
uint16_t SPI_NSS;             //片选引脚nSS是交由硬件控制还是软件控制
uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; //时钟分频系数，FSCK = FCLK / 分频系数
uint16_t SPI_FirstBit;       //MSB/LSB先行
uint16_t SPI_CRCPolynomial;    //CRC校验表达式
}SPI_InitTypeDef;

操作函数
(1) 使能SPI的时钟

GPIO、SCK、MISO、MOSI都是PA组，且SPI外设跟GPIO外设一样，隶属于APB2总线：所以：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

发表于 2024-3-31 21:19

初始化GPIO引脚
设置SPI1的相关引脚为复用输出，这样才会连接到SPI1上否则这些IO还是默认作为标准输入/输出。

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);

发表于 2024-3-31 21:19

初始化SPI1，设置其工作模式

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //双线双向全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      //设置为主SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                //SPI发送接收8位数据帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                      //时钟悬空高
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                      //数据捕获于第二个时钟沿
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                         //nSS信号软件控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;       //波特率预分频值为256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                //数据传输从MSB位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;                         //CRC值计算的表达式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);                               //将上述设置信息初始化外设SPIx寄存器

发表于 2024-3-31 21:19

使能SPI1

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

SPI接收数据

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);

SPI发送数据

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);

查看SPI传输过程状态

FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);

在SPI的传输过程中，若要判断数据是否传输完成，发送缓冲区是否为空等状态，可通过此函数实现。以判断是否发送完成为例：

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); //发送缓冲区不为空则一直阻塞

发表于 2024-3-31 21:20

FLASH相关特性
ISO_V2开发板的板载FLASH型号为W25Q64，是一种使用SPI通讯协议的NOR FLASH存储器。

W25Q64除了上述的SPI关联的4个引脚之外，还有用于控制写保护功能的WP引脚、暂停通讯控制的HOLD引脚。当WP为低电平时禁止写入数据，HOLD为低电平时暂停通讯，硬件上将这两个引脚都接到3.3V，即不使用这两个功能。其他细节，到代码实现的时候补充。

发表于 2024-3-31 21:20

软件实现
实现功能：往板载W25Q64 FLASH写入数据，再读取出来，调试信息和运行结果通过串口打印到PC机串口工具。

基于具有串口BSP的工程，新建bsp_spi_flash.h和bsp_spi_flash.c。

函数声明：

//SPI通信相关函数
void SPI_GPIO_Init(void);
void SPI_FLASH_Init(void);
uint8_t SPI_FLASH_RecvSendByte(uint8_t byte);

//驱动FLASH相关函数
uint32_t SPI_FLASH_ReadID(void);
uint8_t SPI_FLASH_Read_SR(void);
void SPI_FLASH_Wait_Busy(void);
void SPI_FLASH_Read(uint8_t *Buf, uint32_t ReadAddr, uint16_t ReadCnt);
void SPI_FLASH_Write(uint8_t* Buf, uint32_t WriteAddr, uint16_t WriteCnt);
void SPI_FLASH_WriteEnable(void);
void SPI_FLASH_Write_Page(uint8_t* Buf, uint32_t WriteAddr, uint16_t WriteCnt);
void SPI_FLASH_Write_Sector(uint8_t* Buf, uint32_t WriteAddr, uint16_t WriteCnt);
void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void);
void SPI_FLASH_Erase_Sector(uint32_t Addr);

发表于 2024-3-31 21:20

设置SPI通讯的关联引脚和SPI的工作模式
//设置SPI通信的相关引脚
void SPI_GPIO_Init()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

//开启GPIOA以及SPI1外设的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //CLK、MISO、MOSI、
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;                      //复用推挽输出
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;       //nSS
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
FLASH_SPI_CS_HIGH();
}

//设置SPI外设的工作模式
void SPI_FLASH_Init()
{
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;

SPI_GPIO_Init();
SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                   //主机端工作模式
SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //双线全双工模式
SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                //8位数据帧长度
SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                      //偶数边沿采SPI信号
SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                      //空闲时钟为空
SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                //高位先行
SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                         //使用软件控制片选信号
SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = 7;                         //CRC校验
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //256分频
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);

//打开SPI外设
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

发表于 2024-3-31 21:21

通过SPI的硬件接口发送/接收数据
uint8_t SPI_FLASH_RecvSendByte(uint8_t byte)
{
uint8_t TimeCnt = 0;

while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)    //发送缓冲区不为空说明还要数据待发送
{
      if (TimeCnt++ > 200)
         return 0;
}

SPI_I2S_SendData(SPI1, byte); //通过外设SPIx发送一个数据

TimeCnt = 0;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
{
      if (TimeCnt++ > 200)
         return 0;
}
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

发表于 2024-3-31 21:28

该函数含超时机制，可用于发送/接收一字节数据。至于用于发送还是接收，看用户关注哪一个。

下来是驱动FLASH的相关函数。
读取FLASH的存储器类型(ID)
uint32_t SPI_FLASH_ReadID(void)
{
uint32_t RET_ID;

//选中FLASH的片选
FLASH_SPI_CS_LOW();

//发送读取FLASH存储器类型的指令
SPI_FLASH_RecvSendByte(W25X_JedecDeviceID);

//接收FLASH发来的存储器类型，它是先发送高位的
RET_ID = SPI_FLASH_RecvSendByte(NOTUSEDAT) << 16;
RET_ID |= SPI_FLASH_RecvSendByte(NOTUSEDAT) << 8;
RET_ID |= SPI_FLASH_RecvSendByte(NOTUSEDAT);

//放开FLASH的片选
FLASH_SPI_CS_HIGH();

return RET_ID;
}

发表于 2024-3-31 21:28

FLASH_SPI_CS_LOW()和FLASH_SPI_CS_HIGH()是分别实现选中和不选中FLASH片选的宏，其实质就是控制nSS引脚为高/低电平：

#define FLASH_SPI_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) //选中FLASH
#define FLASH_SPI_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) //不选中FLASH

发表于 2024-3-31 21:28

W25X_JedecDeviceID也是一个宏定义，这是由FLASH定义的用来控制FLASH的指令，从W25Q64手册知，支持的指令有：

发表于 2024-3-31 21:28

这些命令被宏定义在bsp_spi_flash.h文件中：
#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

发表于 2024-3-31 21:29

发送完W25X_JedecDeviceID指令后，调用SPI_FLASH_RecvSendByte()函数用于接收FLASH发来的3字节分3次发送的DeviceID，注意，该FLASH的发送顺序是MSB先行，所以接收到的第一、二、三字节需要依次左移16、8、0位。
当SPI_FLASH_RecvSendByte()用于发送数据(指令)时候我们并不关注返回的内容，所以不需要接收其返回值；
当SPI_FLASH_RecvSendByte()用于接收数据时候我们并不关注发送的内容，所以NOTUSEDAT宏是我们任意定义的：

#define NOTUSEDAT 0xFF

发表于 2024-3-31 21:29

读取FLASH的当前运行状态
uint8_t SPI_FLASH_Read_SR(void)
{
uint8_t ret = 0;

FLASH_SPI_CS_LOW();

SPI_FLASH_RecvSendByte(W25X_ReadStatusReg);

ret = SPI_FLASH_RecvSendByte(NOTUSEDAT);

FLASH_SPI_CS_HIGH();

return ret;
}

发表于 2024-3-31 21:29

获取FLASH的运行状态则是向FLASH发送获取状态的指令W25X_ReadStatusReg。跟上一个函数类似，不赘述。利用此函数的返回值，可以判断FLASH是否处于忙状态：

void SPI_FLASH_Wait_Busy(void)
{
while ((SPI_FLASH_Read_SR() & 0x01) == 0x01);
}

发表于 2024-3-31 21:29

读取FLASH的数据
void SPI_FLASH_Read(uint8_t *Buf, uint32_t ReadAddr, uint16_t ReadCnt)
{
uint16_t i;

FLASH_SPI_CS_LOW();

SPI_FLASH_RecvSendByte(W25X_ReadData);

SPI_FLASH_RecvSendByte(ReadAddr >> 16);
SPI_FLASH_RecvSendByte(ReadAddr >> 8);
SPI_FLASH_RecvSendByte(ReadAddr);

for (i = 0; i < ReadCnt; i++)
{
Buf[i] = SPI_FLASH_RecvSendByte(NOTUSEDAT);
}

FLASH_SPI_CS_HIGH();
}

发表于 2024-3-31 21:30

选中FLASH芯片后向其发送W25X_ReadData表示主机要读取FLASH的数据，接着发送要读取的目标地址，还是遵循MSB先行的发送规则，发送完毕就可以接收数据了。
为什么主机发送完指令后，发送的数据会被FLASH解析成目标地址？这是由FLASH定义的。主机要读取ReadCnt个数据，为什么主机不用事先告诉FLASH？这也是FLASH定义的，FLASH就是这么工作的，一旦接收到W25X_ReadData，它就会知道它接下来要收取到一个目标地址，接着只管把从目标地址后的数据发回主机，直至FLASH不被选中。

发表于 2024-3-31 21:30

往FLASH写数据
往FLASH写数据，有3种写范围，写一整个扇区、写一整页、写一个字节，当我们要从某个扇区的开始写入一整个扇区的数据(4096字节)，程序需要将对这个扇区分为一页一页来写(256字节)，对这一页的写又会转换成一字节一字节的写。
SPI_FLASH_Write(uint8_t* Buf, uint32_t WriteAddr, uint16_t WriteCnt)是用户调来写数据的函数

发表于 2024-3-31 21:30

//写扇区 -> 写页 -> 按字节写
uint32_t SectorNum;
uint16_t SectorOffset;
uint16_t SectorRemainder;
uint16_t i = 0;
uint8_t FLASH_Buf[4096] = {0};       //整个扇区的副本

void SPI_FLASH_Write(uint8_t* Buf, uint32_t WriteAddr, uint16_t WriteCnt)
{
SectorNum = WriteAddr / 4096;          //得到目标地址位于第几个扇区
SectorOffset = WriteAddr % 4096;       //得到目标地址在扇区内的偏移量
SectorRemainder = 4096 - SectorOffset;  //得到所在扇区还剩下多少空间

if (WriteCnt <= SectorRemainder)       //剩下的空间足够写用户要写的数据
{
      SectorRemainder = WriteCnt;
}

while (1)
{
      SPI_FLASH_Read(FLASH_Buf, SectorNum * 4096, 4096);  //读出整个扇区的内容

      //FLASH被擦除后的状态是都为1
      for (i = 0; i < SectorRemainder; i++)
      {
         if (FLASH_Buf[i + SectorOffset] != 0xff)
            break;
      }

      //i < SectorRemainder说明存在没擦除的区域，那就擦除一整块
      if (i < SectorRemainder)
      {
         SPI_FLASH_Erase_Sector(SectorNum);

         for (i = 0; i < SectorRemainder; i++)
         {
            FLASH_Buf[i + SectorOffset] = Buf[i];
         }

         //写一整个扇区(其实现会自动转换成按照多页来写)
         SPI_FLASH_Write_Sector(FLASH_Buf, SectorNum * 4096, 4096);
      }
      else
         //写一整个扇区(其实现会自动转换成按照多页来写)
         SPI_FLASH_Write_Sector(FLASH_Buf, WriteAddr, SectorRemainder);

      if (WriteCnt == SectorRemainder)
         break;
      else
      {
         SectorNum++;
         SectorOffset = 0;
         Buf += SectorRemainder;
         WriteAddr += SectorRemainder;
         WriteCnt -= SectorRemainder;

         if (WriteCnt > 4096)
         {
            SectorRemainder = 4096;
         }
         else
            SectorRemainder = WriteCnt;
      }
}
}\

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