2021年11月03日 | STM32F103ZET6 — 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。

SPI 具有信号线少，协议简单，数据率高等优点。数据传送速率达几MB/s

Pin 脚介绍

标准的 SPI 使用 4 Pin 进行数据传送：

（1）MOSI – 主器设备数据输出，从器件数据输入

（2）MISO – 主器设备件数据输入，从器件数据输出

（3）SCLK – 时钟信号，由主器件产生, 最大为fPCLK/2，从模式频率最大为fCPU/2

（4）NSS – 从器件使能信号，由主器件控制,有的 IC 会标注为 CS (Chip select)

数据时在 CLK 时钟的驱动下，在数据线上按照一个 bit 一个 bit 的进行传送，数据可以在时钟的上升沿或者下降沿改变（或者采样）。

SPI 传输的缺点是，没有数据完整性校验，也没有流控机制。

既然称 SPI 为总线，则 SPI 就可以支持多个设备相连接，通过 CS 片选信号来指定期望通讯的设备。（多机通讯）

SPI 模式

SPI 通讯有 4 中不同的通讯模式，通信双方需要配置成为一样的模式，才能够进行正常的数据传输，这里有两个概念：

CPOL：时钟极性

CPHA：时钟相位

CPOL：(时钟极性)控制在没有数据传输时，SPI 时钟的空闲状态电平。即，定义了总线空闲的工作状态（注意，和 UART 不同，SPI 是通过 CLK 的状态来表征当前的总线状态，即不发生任何数据交互的时候，时钟信号总是没有进行翻转的）

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态

CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态

CPHA：（时钟相位）是用来配置数据采样是在第几个边沿。

CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿

CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿

所以 CPOL 和 CPHA 的不同组合，成为了 SPI 的四种传输模式：

SPI Mode

四种传输模式，定义了不同时刻的总线启动，以及数据发送和采样时间：

CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是 SCLK 由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。

CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是 SCLK 由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是 SCLK 由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是 SCLK 由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

对应到波形上：

STM32 SPI 特性

STM32 上支持 3 路 SPI：

可以支持全双工的通信

支持硬件 CRC

可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前

主模式和从模式的快速通信

可编程的时钟极性和相位（CPOL，CPHA）

可触发中断的专用发送和接收标志

可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志

支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求

SPI 时钟

单板上使用 SPI2 进行 SPI FLASH 的操作，使用的是 APB1 的时钟，最大配置为 36MHz。

硬件连接

硬件上，通过单板的 SPI2 引脚，连接到外部的 SPI FLASH （W25Q64）

所以，在配置的时候，需要针对 SPI2 进行配置。

SPI Flash 简介

硬件单板上，连接的是 WinBond 的 W25Q64BV 的 SPI Flash，此款 Flash 的特性如下：

大小：64M-bit / 8M-byte

页 ： 256B

支持 80MHz 的时钟

支持扇区擦除：Sector Erase (4K-bytes)

支持块擦除：Block Erase (32K and 64K-bytes)

支持页写入：0~256-bytes

软件/硬件写保护

由于暂时不需要硬件写保护和Hold功能，故，直接将 WP和HOLD引脚接到 VCC（3.3V）

（此款SPI FLASH 还支持双线和4线 QSPI 的读写，由于 STM32 不支持，所以不在多说）

根据 W25Q64BV 的 Datasheet 描述，在操作这块 FLASH 的时候，需要配置主机为：

SPI Mode 0 或者 Mode 3

MSB 先传输

故，在 SPI2 配置的时候，需要进行对应的配置，才能够继续正常数据通信。

W25Q64BV 存在两个寄存器可以被访问，为 Status Register-1 和 Status Register-2，其中描述的关于 Write-Protect 的部分，暂时不管。与读写相关的就是 BUSY 位了，因为对 SPI Flash 编程后，Flash 需要内部的 cylce 进行数据的写入，内部program的时候会将 BUSY 置成 1，写入完成后，会将 BUSY 位置 0，故，每次对 Flash 进行写（包括擦除）之前，均要进行 BUSY 位的判断。

好啦，现在就开始按照 DateSheet 进行配置我们的 STM32 了。

STM32 SPI2 配置

配置过程主要分为两步：GPIO 的配置，SPI2 的配置（如原理图所示，PB_12 的 GPIO 用于了 CS 片选，我们需要将其配置成为输出的 GPIO，拉低的时候，选中 Flash，拉高的时候释放 Flash 信号）

1. 开启 GPIO B 组的时钟

2. 开启 SPI2 的时钟

3. 按照 STM32 手册，配置 SCK 、MOSI 和 NSS 为复用推挽输出、MISO为浮空输入（有的代码将 MISO 配置成为的输出，虽然也可以运行，不过，您不觉得别扭么？还是遵循 Spec 的来吧）。同时将 GPIO_B _12配置为输出（CS信号）

4. 配置 SPI2 为全双工模式

5. SPI2 为 Master

6. SPI2 运行在 MODE3（按照 W25Q64BV 的 Timing 要求 ）

7. SPI2 NSS 为软件模式（根本没用）

8. 预分频系数为 4 分频（APB1 为 36M，则 SPI2 的 SCK 为 9 MHz）

9. SPI2 传输 MSB（按照 W25Q64BV 的 Timing 要求）

10. 不启用 CRC

11. 开启 SPI 功能

此刻 SPI 的配置就基本完成了。接下来就是 按照 W25Q64BV 的 Timing 要求，写 FLASH 驱动咯.....

#define SK_SPI_FLASH_CS_HIGH()           GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12)

#define SK_SPI_FLASH_CS_LOW()            GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12)

/*******************************************************************************

* Function Name  : SK_SPIPortInit

* Description    : Configure the I/O port for SPI2.

* Input          : None

* Output         : None

* Return         : None

*******************************************************************************/

static void _SK_SPI2PortInit(void)

{

    GPIO_InitTypeDef stGpioInit;

    /*!< Configure pins: SCK */

    stGpioInit.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;

    stGpioInit.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    stGpioInit.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

    GPIO_Init(GPIOB, &stGpioInit);

    /*!< Configure pins: MISO */

    stGpioInit.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;

    stGpioInit.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

    GPIO_Init(GPIOB, &stGpioInit);

    /*!< Configure pins: MOSI */

    stGpioInit.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;

    stGpioInit.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    stGpioInit.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

    GPIO_Init(GPIOB, &stGpioInit);

    /*!< Configure pins: CS */

    stGpioInit.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;

    stGpioInit.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    stGpioInit.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

    GPIO_Init(GPIOB, &stGpioInit);

}

/*******************************************************************************

* Function Name  : _SK_SPI2BusInit

* Description    : Configure the SPI2 Bus to adpte the W25Q64 Flash.

* Input          : None

* Output         : None

* Return         : None

*******************************************************************************/

static void _SK_SPI2BusInit(void)

{

    SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;

    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;

    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;

    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; // PCLK = 36M, SPI2 CLK = PCLK/4 = 9M

    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

    SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);

    SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);

}

/*******************************************************************************

* Function Name  : SK_SPIInit

* Description    : Initializes the peripherals used by the SPI FLASH driver.

* Input          : None

* Output         : None

* Return         : None

*******************************************************************************/

void SK_SPIFlashInit(void)

{

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);

    _SK_SPI2PortInit();

    SK_SPI_FLASH_CS_HIGH();

    _SK_SPI2BusInit();

}

W25Q64BV Flash 驱动

W25Q64BV 是 Flash 嘛，最主要的就是读和写。当然，除了这些，还有擦除功能，读 ID 等等。不着急，一步一步来，都是套路。

STM32 在进行 SPI 全双工数据传输的时候，在通过 MOSI 写出去数据后，可以立马进行 MISO 数据读取，通过轮询 TXE 标志来判断数据已经全部加载到移位寄存器，通过轮询 RXE 标志来得知本次 MISO 的数据已经全部到账。

针对  W25Q64BV Flash，Datasheet 中列出了支持的多种不同的命令：

对应上述表格，有不同的 Timing 进行描述，比如：Opcode 为 0x9F 的时候，是读取一个叫 JEDEC ID 的东西：

可以看到，主机首先将 CS 拉低，然后主机处在 Mode 0 或者 Mode 3 的时候，在 MOSI 信号上输出 0x9F 的数据（命令），然后接着写入 Dummy Data （随便写点东西），然后再 MISO 信号上就能够收到 manufacture ID 的信息（为 0xEF），在继续写入 Dummy Data，继续接收，继续写入，继续接收，这样便可以得到期望的数据了。

获取 Flash ID 信息

根据上述方式，便可以获取 ID 信息：

/********************** W25Q64 Flash Command Defination ***********************/

#define SPI_FLASH_PerWritePageSize      256

#define W25X_WriteEnable                0x06 

#define W25X_WriteDisable               0x04 

#define W25X_ReadStatusReg_1            0x05

#define W25X_ReadStatusReg_2            0x35 

#define W25X_WriteStatusReg             0x01 

#define W25X_ReadData                   0x03 

#define W25X_FastReadData               0x0B 

#define W25X_FastReadDual               0x3B 

#define W25X_PageProgram                0x02 

#define W25X_64K_BlockErase             0xD8 

#define W25X_32K_BlockErase             0x52 

#define W25X_4K_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 

#define Busy_Flag                       0x01  /* Write In Progress (WIP) flag */

#define Dummy_Byte                      0xFF  /* Dummy Data */

typedef struct {

    uint8_t manufacturer_id;

    uint8_t memory_type_id;

    uint8_t capacity_id;

    uint8_t device_id;

} W25Q64_ID_t;

/*******************************************************************************

* Function Name  : SPI_FLASH_SendByte

* Description    : Sends a byte through the SPI interface and return the byte

*                  received from the SPI bus.

* Input          : byte : byte to send.

* Output         : None

* Return         : The value of the received byte.

*******************************************************************************/

static uint8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_t byte)

{

  /* Loop while DR register in not emplty */

  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

  /* Send byte through the SPI2 peripheral */