STM32学习笔记(八) SPI总线(操作外部flash)

1. SPI总线简介

　　SPI全称串行外设接口，是一种高速，全双工，同步的外设总线；它工作在主从方式，常规需要至少4根线才能够正常工作。SPI作为基本的外设接口，在FLASH，EPPROM和一些数字通讯中，具有广泛的应用。SPI总线由四个接口构成：

CS  ：片选端，由主设备控制

MISO：主设备输入，从设备输出

MOSI：主设备输出，从设备输入

SCK ：时钟信号

　　其中SCK仅能由主设备提供，且接收和发送和同时产生的，因此在主设备接收数据时也要先发送数据从而为从设备提供时钟；根据SPI时钟信号配置相关说明，SPI的时钟相位和极性由CPOL和CPHA两位控制共有四种不同的工作时序。

   

其中CPOL：0 空闲状态低电平  1 空闲时候高电平

     CPHA： 0 第一个边沿采样  1 第二个边沿采样

2. 工作原理图

　　了解了SPI总线，下面就开始进入正题，通过SPI总线操作外部flash(W25X16)。首先确定开发板原理图对应的端口连接：

    

从上可以得出 CS：PB9     SCK：PA5

　　　　　　 MISO：PA6   MOSI：PA7

不过因为开发板的资源有限，SD卡和外部flash共用SPI总线，因此在读取SPI FLASH之前要关闭SD卡的片选端，避免出现总线冲突。

了解了这些，就可以开始SPI_FLASH驱动硬件部分的编写了。

3. SPI硬件驱动

SPI端口配置比较简单，主要包含端口时钟启动，端口功能配置，初始化即可

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB                                             |RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
/*SD_CS Disable PD11*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SD_CS_Pin;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(SD_CS_Port, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(SD_CS_Port, SD_CS_Pin);
    
/*SPI1_CS 端口配置*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_CS_Pin;
GPIO_Init(SPI1_CS_Port, &GPIO_InitStructure);
SPI1_CS_Disable();
    
/*SPI1_SCK 端口配置*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_SCK_Pin;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(SPI1_SCK_Port, &GPIO_InitStructure);
    
/*SPI1_MISO 端口配置*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_MISO_Pin;
GPIO_Init(SPI1_MISO_Port, &GPIO_InitStructure);
    
/*SPI1_MOSI 端口配置*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = SPI1_MOSI_Pin;
GPIO_Init(SPI1_MOSI_Port, &GPIO_InitStructure);

SPI功能配置主要包含上面我提到的主从设备，时钟相位和极性，发送数据长度和顺序(STM32本身集成功能，与SPI本身关系不大）等，具体配置如下：

SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
SPI_InitStructure.SPI_Direction =    SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;    //SPI工作在双向双线模式
SPI_InitStructure.SPI_Mode      = SPI_Mode_Master;                       //CPU的SPI工作在主机模式
SPI_InitStructure.SPI_DataSize  = SPI_DataSize_8b;                       //SPI传输数据帧长度为8字节
SPI_InitStructure.SPI_CPOL      = SPI_CPOL_High;                         //空闲时SCK高电平    MODE3模式
SPI_InitStructure.SPI_CPHA      = SPI_CPHA_2Edge;                     　　//第二个下降沿接收/发送数据        
SPI_InitStructure.SPI_NSS       = SPI_NSS_Soft;                          //启用软件从设备管理
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;       //波特率为Pclk2/4
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                       //高位先发送
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;                                 //默认CRC校验多项式 x^2+x+1    
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 　　STM32因为SPI总线已经集成在CPU内部，因此配置起来十分简单，仅修改部分寄存器就可以实现对于SPI总线的配置，用于操作外部设备，不过涉及到外部设备的通讯并没有这么简单，这涉及读取和操作芯片的时序和指令，下面我以开发板上的W25X16外部flash为例，讲解SPI总线的实际运用。

4. SPI总线操作W25X16

    外部flash的操作比较简单，总结起来仅读寄存器，写寄存器，读数据，写数据，擦除数据，读ID这6种工作模式，如W25X16指令表如下：

   

参照该表，程序中就可以有如下flash操作指令定义

/*外部flash相关指令*/
#define Flash_WriteEnable            0x06 
#define Flash_WriteDisable            0x04 
#define Flash_ReadStatusReg            0x05 
#define Flash_WriteStatusReg        0x01 
#define Flash_ReadData                0x03 
#define Flash_FastReadData            0x0B 
#define Flash_FastReadDual            0x3B 
#define Flash_PageProgram            0x02 
#define Flash_BlockErase            0xD8 
#define Flash_SectorErase            0x20 
#define Flash_ChipErase                0xC7 
#define Flash_PowerDown            0xB9 
#define Flash_ReleasePowerDown            0xAB 
#define Flash_ManufactDeviceID            0x90 
#define Flash_JedecDeviceID            0x9F 
#define Flash_NoBusy                0xA5            

可以看出外部flash主要包含擦除，读寄存器，写入寄存器，读数据，写数据，读ID这几种方式。

(1). flash单字节收发

　　根据上面SPI总线的说明，SPI的写入和读出是同时发生的，且时钟只能由主设备提供，因此SPI总线的收发由同一个函数完成。如下：

 /*等待SPI发送数据寄存器为空时，发送1字节数据*/
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
{
}
 SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);
 
/*在发送数据同时，SPI_MISO引脚会读取管脚数据，等待读取寄存器非空*/
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
{
}
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

 当然，实际项目中在while循环内部需要添加超时时钟，避免因为可能出现的SPI硬件出错而导致整个系统停止的问题。

(2). flash擦除

　　外部flash的擦除主要包含sector（扇区）擦除，block（块）擦除，chip（整片）擦除。其中扇区擦除4kb， 块擦除64kb, flash的擦除按照芯片资料上要求，擦除需要3步：

      1.写入允许（0x06）

      2.擦除指令（0x20）

      3. 写入擦除地址(24bit), 分三次发送

      

由时序可知，擦除片代码如下：

void SPI_EraseSector(u32 SectorAddress)
{
    SectorAddress = (SectorAddress>>12)<<12; //确定擦除块的首地址
    SPI_Write_Enable();                      //允许写入
    
    SPI1_CS_Enable();
    SPI_SendWrite_Byte(Flash_SectorErase);   //写入擦除指令
    
    /*写入带擦除的扇区*/
    SPI_SendWrite_Byte((SectorAddress&0xFF0000)>>16);
    SPI_SendWrite_Byte((SectorAddress&0xFF00)>>8);
    SPI_SendWrite_Byte(SectorAddress&0xFF);
    SPI1_CS_Disable();
    
    SPI_WaitWriteEnd();
}

(3). 数据读取

 数据读取包含3步，1.写入读取指令 2.写入待读取数据地址 3.读取flash内部数据。如此便完成外部flash的读取。

void SPI_Read(u8 *pBuffer,u32 ReadAddress,u16 ReadByteNum)
{
    SPI1_CS_Enable();
    
    SPI_SendWrite_Byte(Flash_ReadData);    //写入读取指令
    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress >> 16); //写入待读取数据地址
    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress >> 8);
    SPI_SendWrite_Byte(ReadAddress);
 
    /*读取数据*/
    while(ReadByteNum--)
    {
        *pBuffer = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);
        pBuffer++;
    }
    SPI1_CS_Disable();
}

（4）数据写入

 数据写入包含4步，1.写入允许  2.写入数据写入指令 3.写入数据存储地址 4.写入数据。如此便完成外部flash的写入。

void SPI_PageWrite(u8 *pBuffer, u32 PageAddress,u16 WriteByteNum)
{
    SPI_Write_Enable();                        //写入允许
    
    SPI1_CS_Enable();
    SPI_SendWrite_Byte(Flash_PageProgram);    //写入存储指令
    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress >> 16);    //写入存储地址
    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress >> 8);
    SPI_SendWrite_Byte(PageAddress);
  
    if(WriteByteNum > 256)                                 
    {
        WriteByteNum = 256;
        printf("

 Err: SPI_PageWrite too large!");
    }
 
    /*写入数据*/
    while(WriteByteNum--)
    {
        SPI_SendWrite_Byte(*pBuffer);
        pBuffer++;
    }
  SPI1_CS_Disable();
    
    SPI_WaitWriteEnd();
}

（5）ID读取

 ID读取比较简单，主要用来测试硬件是否成功，具体代码如下

u32 SPI_ReadID(void)
{
    u32 ID_Temp,temp_h,temp_m,temp_l;
 
    SPI1_CS_Enable();
    SPI_SendWrite_Byte(Flash_JedecDeviceID);
 
    temp_h = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);
    temp_m = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);
    temp_l = SPI_SendWrite_Byte(Flash_NoBusy);
    SPI1_CS_Disable();
 
    ID_Temp = (temp_h << 16)|(temp_m << 8)|temp_l;
    return ID_Temp;
}    

上面便是SPI总线基本操作了，具体可参考代码：

http://files.cnblogs.com/files/zc110747/6.SPI-Flash.7z

 根据代码中设计以及通过串口输出如下图，可以判断成功实现了SPI-flash的读，写和擦除的工作。