本帖最后由 正点原子 于 2013-3-16 21:24 编辑
第二十八章 SPI 实验 本章我们将向大家介绍STM32的SPI功能。在本章中，我们将使用STM32自带的SPI来实现对外部FLASH（W25Q64）的读写，并将结果显示在TFTLCD模块上。本章分为如下几个部分： 28.1 SPI 简介 28.2 硬件设计 28.3 软件设计 28.4 下载验证
28.1 SPI 简介 SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，STM32也有SPI接口。 SPI接口一般使用4条线通信： MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。 MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。 SCLK时钟信号，由主设备产生。 CS从设备片选信号，由主设备控制。 SPI主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。 SPI总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。 不同时钟相位下的总线数据传输时序如图28.1.1所示：
图28.1.1 不同时钟相位下的总线传输时序（CPHA=0/1） STM32的SPI功能很强大，SPI时钟最多可以到18Mhz，支持DMA，可以配置为SPI协议或者I2S协议（仅大容量型号支持，战舰STM32开发板是支持的）。 本章，我们将使用STM32的SPI来读取外部SPI FLASH芯片（W25Q64），实现类似上节的功能。这里对SPI我们只简单介绍一下SPI的使用，STM32的SPI详细介绍请参考《STM32参考手册》第457页，23节。然后我们再介绍下SPI FLASH芯片。 这节，我们使用STM32的SPI2的主模式，下面就来看看SPI2部分的设置步骤吧，STM32的主模式配置步骤如下： 1）配置相关引脚的复用功能，使能SPI2时钟。 我们要用SPI2，第一步就要使能SPI2的时钟，SPI2的时钟通过APB1ENR的第14位来设置。其次要设置SPI2的相关引脚为复用输出，这样才会连接到SPI2上否则这些IO口还是默认的状态，也就是标准输入输出口。这里我们使用的是PB13、14、15这3个（SCK.、MISO、MOSI，CS使用软件管理方式），所以设置这三个为复用IO。 2）设置SPI2工作模式。 这一步全部是通过SPI2_CR1来设置，我们设置SPI2为主机模式，设置数据格式为8位，然后通过CPOL和CPHA位来设置SCK时钟极性及采样方式。并设置SPI2的时钟频率（最大18Mhz），以及数据的格式（MSB在前还是LSB在前）。 3）使能SPI2。 这一步通过SPI2_CR1的bit6来设置，以启动SPI2，在启动之后，我们就可以开始SPI通讯了。 SPI2的使用就介绍到这里，接下来介绍一下W25Q64。W25Q64是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，W25Q64的容量为64Mb，该系列还有W25Q80/16/32等。ALIENTEK所选择的W25Q64容量为64Mb，也就是8M字节。 W25Q64将8M的容量分为128个块（Block），每个块大小为64K字节，每个块又分为16个扇区（Sector），每个扇区4K个字节。W25Q64的最少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W25Q64开辟一个至少4K的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上SRAM才能很好的操作。 W25Q64的擦写周期多达10W次，具有20年的数据保存期限，支持电压为2.7~3.6V，W25Q64支持标准的SPI，还支持双输出/四输出的SPI，最大SPI时钟可以到80Mhz（双输出时相当于160Mhz，四输出时相当于320M），更多的W25Q64的介绍，请参考W25Q64的DATASHEET。 28.2 硬件设计 本章实验功能简介：开机的时候先检测W25Q64是否存在，然后在主循环里面检测两个按键，其中1个按键（WK_UP）用来执行写入W25Q64的操作，另外一个按键（KEY1）用来执行读出操作，在TFTLCD模块上显示相关信息。同时用DS0提示程序正在运行。 所要用到的硬件资源如下： 1） 指示灯DS0 2） WK_UP和KEY1按键 3） TFTLCD模块 4） SPI 5） W25Q64 这里只介绍W25Q64与STM32的连接，板上的W25Q64是直接连在STM32的SPI2上的，连接关系如图28.2.1所示：
图28.2.1 STM32与W25Q64连接电路图 28.3 软件设计
打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个FLASH的文件夹和SPI的文件夹。然后新建一个flash.c和flash.h的文件保存在FLASH文件夹下，新建spi.c和spi.h的文件，保存在SPI文件夹下，并将这两个文件夹加入头文件包含路径。 打开spi.c文件，输入如下代码： #include "spi.h" //SPI口初始化 //这里针是对SPI2的初始化 void SPI2_Init(void) { //省略部分代码 } //SPI2速度设置函数 //SpeedSet:0~7 //SPI速度=fAPB1/2^(SpeedSet+1) //APB1时钟一般为36Mhz void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet) { SpeedSet&=0X07; //限制范围 SPI2->CR1&=0XFFC7; SPI2->CR1|=SpeedSet<<3; //设置SPI2速度 SPI2->CR1|=1<<6; //SPI设备使能 } //SPI2 读写一个字节 //TxData:要写入的字节 //返回值:读取到的字节 u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData) { u16 retry=0; while((SPI2->SR&1<<1)==0) //等待发送区空 { retry++; if(retry>=0XFFFE)return 0; //超时退出 } SPI2->DR=TxData; //发送一个byte retry=0; while((SPI2->SR&1<<0)==0) //等待接收完一个byte { retry++; if(retry>=0XFFFE)return 0; //超时退出 } return SPI2->DR; //返回收到的数据 } 此部分代码主要初始化SPI，这里我们选择的是SPI2，所以在SPI2_Init函数里面，其相关的操作都是针对SPI2的，其初始化步骤和我们上面介绍的一样。在初始化之后，我们就可以开始使用SPI2了，在SPI2_Init函数里面，把SPI2的频率设置成了最低（36Mhz，256分频）。在外部函数里面，我们通过SPI2_SetSpeed来设置SPI2的速度，而我们的数据发送和接收则是通过SPI2_ReadWriteByte函数来实现的。 保存spi.c，并把该文件加入HARDWARE组下面，然后我们打开spi.h在里面输入如下代码： #ifndef __SPI_H #define __SPI_H #include "sys.h" // SPI总线速度设置 #define SPI_SPEED_2 0 #define SPI_SPEED_4 1 #define SPI_SPEED_8 2 #define SPI_SPEED_16 3 #define SPI_SPEED_32 4 #define SPI_SPEED_64 5 #define SPI_SPEED_128 6 #define SPI_SPEED_256 7 void SPI2_Init(void); //初始化SPI2口 void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet); //设置SPI2速度 u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData); //SPI2总线读写一个字节 #endif 此部分代码我们就不多介绍了，保存spi.h，然后我们打开flash.c，在里面编写与W25Q64操作相关的代码，由于篇幅所限，详细代码，这里就不贴出了。我们仅介绍几个重要的函数，首先是SPI_Flash_Read函数，该函数用于从W25Q64的指定地址读出指定长度的数据。其代码如下： //读取SPI FLASH //在指定地址开始读取指定长度的数据 //pBuffer:数据存储区 //ReadAddr:开始读取的地址(24bit) //NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535) void SPI_Flash_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead) { u16 i; SPI_FLASH_CS=0; //使能器件 SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令 SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址 SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8)); SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr); for(i=0;i<NumByteToRead;i++) { pBuffer=SPI2_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数 } SPI_FLASH_CS=1; } 由于W25Q64支持以任意地址（但是不能超过W25Q64的地址范围）开始读取数据，所以，这个代码相对来说就比较简单了，在发送24位地址之后，程序就可以开始循环读数据了，其地址会自动增加的，不过要注意，不能读的数据超过了W25Q64的地址范围哦！否则读出来的数据，就不是你想要的数据了。 有读的函数，当然就有写的函数了，接下来，我们介绍SPI_Flash_Write这个函数，该函数的作用与SPI_Flash_Read的作用类似，不过是用来写数据到W25Q64里面的，其代码如下： //写SPI FLASH //在指定地址开始写入指定长度的数据 //该函数带擦除操作! //pBuffer:数据存储区 //WriteAddr:开始写入的地址(24bit) //NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535) u8 SPI_FLASH_BUFFER[4096]; void SPI_Flash_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite) { u32 secpos; u16 secoff; u16 secremain; u16 i; u8 * SPI_FLASH_BUF; SPI_FLASH_BUF=SPI_FLASH_BUFFER; secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址 0~511 for w25x16 secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移 secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小 //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用 if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节 while(1) { SPI_Flash_Read(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容 for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据 { if(SPI_FLASH_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除 } if(i<secremain)//需要擦除 { SPI_Flash_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区 for(i=0;i<secremain;i++) //复制 { SPI_FLASH_BUF[i+secoff]=pBuffer; } SPI_Flash_Write_NoCheck(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096); //写入整个扇区 }else SPI_Flash_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain); //写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了 else//写入未结束 { secpos++;//扇区地址增1 secoff=0;//偏移位置为0 pBuffer+=secremain; //指针偏移 WriteAddr+=secremain;//写地址偏移 NumByteToWrite-=secremain; //字节数递减 if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096; //下一个扇区还是写不完 else secremain=NumByteToWrite; //下一个扇区可以写完了 } }; } 该函数可以在W25Q64的任意地址开始写入任意长度（必须不超过W25Q64的容量）的数据。我们这里简单介绍一下思路：先获得首地址（WriteAddr）所在的扇区，并计算在扇区内的偏移，然后判断要写入的数据长度是否超过本扇区所剩下的长度，如果不超过，再先看看是否要擦除，如果不要，则直接写入数据即可，如果要则读出整个扇区，在偏移处开始写入指定长度的数据，然后擦除这个扇区，再一次性写入。当所需要写入的数据长度超过一个扇区的长度的时候，我们先按照前面的步骤把扇区剩余部分写完，再在新扇区内执行同样的操作，如此循环，直到写入结束。 其他的代码就比较简单了，我们这里不介绍了。保存falsh.c，然后加入到HARDWARE组下面，最后，我们在test.c里面，修改main函数如下： //要写入到W25Q64的字符串数组 const u8 TEXT_Buffer[]={"WarShipSTM32 SPI TEST"}; #define SIZE sizeof(TEXT_Buffer) int main(void) { //省略部分代码 } 这部分代码和IIC实验那部分代码大同小异，我们就不多说了，实现的功能就和IIC差不多，不过此次写入和读出的是SPI FLASH，而不是EEPROM。 28.4 下载验证 在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32开发板上，通过先按WK_UP按键写入数据，然后按KEY1读取数据，得到如图28.4.1所示：
图28.4.1 SPI实验程序运行效果图 伴随DS0的不停闪烁，提示程序在运行。程序在开机的时候会检测W25Q64是否存在，如果不存在则会在TFTLCD模块上显示错误信息，同时DS0慢闪。大家可以通过跳线帽把PB12和PB13短接就可以看到报错了。
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