STM32（二十）——SPI、W25Q64

一、SPI通信

简介

•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）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）

•同步，全双工

            支持总线挂载多设备（一主多从）

硬件电路

•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

主机只能置一个SS为低电平，如果选择多个从机会导致数据冲突，当从机的 SS 为高（未选中）时，它的 MISO 引脚内部开关断开，进入高阻态。

移位示意图

假设规定波特率发生器时钟的上升沿，所有的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，采样到移位寄存器的最低位

当只要获取从机的数据时，主机可以发送无关数据来替换出从机的数据，或者只看从机交换出来的数据。

SPI时序基本单元

模式0：在SS下降沿时就将位移出，最后一个SCK下降沿时，如果不需要交换数据，MOSI可以置回默认电平，或者不管，MISO在SS上升沿之后，置回高阻态。

SPI时序

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）

W25Q64芯片的规定读/写指令之后的字节，定义为地址的高位，这里的0x12表示发送地址的23~16位，0x34表示发送地址的15~8位，0x56表示发送地址的7~0位，地址发送完就可以发送数据。

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）

二、W25Q64

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

硬件电路

当产生中断时，要使用SPI通信线去操作其他器件，使用HOLD可以将芯片暂停记住当前状态以便恢复芯片通信。

框图

一、存储阵列结构（右侧）

总容量：64Mbit（即 8MB），地址范围为 0x000000h 到 0x7FFFFFh。

块（Block）划分：

整个存储阵列被划分为 128 个块（Block），每个块大小为 64KB。

例如：Block 0 对应地址 0x000000h 至 0x00FFFFh，Block 127 对应地址 0x7F0000h 至 0x7FFFFFh。

扇区（Sector）划分：

每个 64KB 的块又可进一步划分为 16 个扇区（Sector），每个扇区大小为 4KB。

例如：Block 0 中的 Sector 0 对应地址 0x000000h 至 0x000FFFh，Sector 1 对应 0x001000h 至 0x001FFFh，以此类推。

页（Page）划分：

每个扇区包含 16 个页，每页大小为 256 字节。这是芯片执行 “页编程” 操作的最小单位。

二、核心功能模块（左侧）

SPI Command & Control Logic（SPI 命令与控制逻辑）

这是芯片的 “大脑”，负责接收并解析来自主机的 SPI 指令（如读、写、擦除等）。

它控制着芯片内部所有其他模块的协同工作。

输入信号包括：/CS（片选）、CLK（时钟）、DI(IO0)（数据输入）、/HOLD(IO3)（数据保持）、/WP(IO2)（写保护）。

输出信号为：DO(IO1)（数据输出）。

Status Register（状态寄存器）

用于反映芯片当前的工作状态，例如是否正在进行写 / 擦除操作、是否被写保护、是否忙碌等。

主机可以通过读取状态寄存器来判断操作是否完成。

Write Control Logic（写控制逻辑）

与 /WP 引脚和状态寄存器配合，实现对存储阵列的写保护功能，防止误写入。

High Voltage Generators（高压发生器）

Flash 存储器的编程和擦除操作需要高于电源电压的高压，此模块负责产生这些高压。

Page Address Latch / Counter（页地址锁存 / 计数器）

用于在页编程操作中，跟踪当前要写入的页地址。

Byte Address Latch / Counter（字节地址锁存 / 计数器）

用于在读写操作中，跟踪当前页内的字节地址。

Column Decode And 256-Byte Page Buffer（列译码与 256 字节页缓冲）

这是页编程操作的核心。主机先将数据写入这个 256 字节的缓冲区，然后再一次性编程到存储阵列的对应页中，以提高效率。

Write Protect Logic and Row Decode（写保护逻辑与行译码）

行译码器负责根据块 / 扇区地址，选中存储阵列中对应的行。

写保护逻辑则根据配置，对特定的块或扇区进行写保护。

三、工作流程示例：页编程（Page Program）

主机通过 SPI 发送 “写使能” 指令（WREN, 0x06）。

主机发送 “页编程” 指令（0x02），随后是 24 位目标地址。

SPI 控制逻辑解析指令，将地址分解为页地址和字节地址，分别锁存到对应的计数器中。

主机发送要写入的数据，这些数据先被暂存到 256 字节页缓冲器 中。

当缓冲器满或主机结束传输时，高压发生器启动，将缓冲器中的数据一次性编程到存储阵列的对应页。

在此期间，状态寄存器的 BUSY 位会被置位，直到操作完成。

Flashing操作注意事项

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

三、SPI外设

简介

•STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担

•可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行

•时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)

•支持多主机模型、主或从操作

•可精简为半双工/单工通信

•支持DMA

•兼容I2S协议

•

•STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

框图

1. 数据通路（核心数据流）

• 发送缓冲区 (TX Buffer)：CPU 通过地址和数据总线写入待发送数据，它是 CPU 与外设之间的桥梁。

• 移位寄存器 (Shift Register)：这是 SPI 通信的核心。它将并行数据转换为串行数据，通过 MOSI 线逐位发送；同时，它也将 MISO 线上的串行数据转换为并行数据。

• 接收缓冲区 (RX Buffer)：存储从移位寄存器接收到的并行数据，CPU 可以通过总线读取。

• LSBFIRST 控制位：决定数据传输的顺序。0 表示 MSB 优先（默认），1 表示 LSB 优先。

2. 控制与状态模块

• 主控制电路：根据 SPI_CR1 寄存器的配置（如 SPE、MSTR、CPOL、CPHA 等），协调波特率发生器、通信电路和 NSS 引脚的行为。

• 波特率发生器：由 SPI_CR1 的 BR [2:0] 位控制，将系统时钟分频，产生 SCK 时钟信号。

• 通信电路：处理数据的收发时序、CRC 校验等核心通信逻辑。

• 状态寄存器 (SPI_SR)：实时反映 SPI 外设的工作状态，如 BSY（忙）、TXE（发送缓冲区空）、RXNE（接收缓冲区非空）等，是驱动轮询或中断实现的关键依据。

3. 寄存器组

• SPI_CR1：主要控制寄存器，用于配置主 / 从模式、时钟极性 / 相位、波特率、使能 SPI 等。

• SPI_CR2：次要控制寄存器，用于配置中断使能、DMA 请求、SS 输出使能等。

• SPI_SR：状态寄存器，反映当前通信状态和错误信息。

基本结构

非连续发送

1.配置与模式

• 模式：非连续全双工模式（BIDIMODE=0, RXONLY=0）

• 时钟配置：CPOL=1（空闲时 SCK 为高），CPHA=1（第二个跳变沿采样）

• 传输数据：连续发送 3 个字节：0xF1、0xF2、0xF3

2. 关键信号与标志

• SCK：SPI 串行时钟，由主机产生。

• MOSI：主机输出从机输入数据线，承载串行数据。

• TXE 标志：发送缓冲区空标志。TXE=1 表示发送缓冲区为空，CPU 可以写入下一个字节。

• BSY 标志：忙标志。BSY=1 表示 SPI 外设正在进行数据移位操作。

• 发送缓冲器：CPU 写入 SPI_DR 寄存器的位置，数据先存入缓冲区，再进入移位寄存器。

逐帧解析传输流程

我们以发送 0xF1、0xF2、0xF3 为例，拆解整个过程：

阶段 1：启动第一个字节传输

阶段 2：连续发送后续字节

阶段 3：结束传输

• 当最后一个字节 0xF3 发送完成后，移位寄存器为空。

• BSY 标志由硬件清零，表示 SPI 外设已完全空闲。

• 软件通常会在所有字节发送后，等待 BSY=0，以确保总线上的最后一位数据稳定输出，再进行后续操作（如拉低 NSS）。

关键注意事项