STM32中的SPI

SPI简介

接口、工作原理与传输方式

SPI接口共有四个Pin:

  • MISO（Master In / Slave Out）主设备数据输入，从设备数据输出。
  • MOSI（Master Out / Slave In）主设备数据输出，从设备数据输入。
  • SCLK（Serial Clock）时钟信号，由主设备产生。
  • CS（Chip Select）从设备片选信号，由主设备产生。

SPI的工作原理：在主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。串行移位寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中
的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只是进行写操作，主机只需忽略接收到的字节。反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节引发从机传输。

SPI的传输方式：

  • 全双工：任何时刻，主机与从机之间都可以同时进行数据的发送和接收
  • 单工：数据传输是固定单向的
  • 半双工：允许数据在两个方向上传输，但同一时刻只能传输一个方向的数据（如IIC）

SPI依据CPOL和CPHA的不同状态分成了4种模式。其中CPOL和CPHA分别是：

  • CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：定义为主从机没有数据传输时，SCL线的电平状态。假如空闲状态下SCL线为高电平，则COPL=1；若为低电平，则COPL=0
  • CPHA（Clock Phase，时钟相位）：数据采样时刻，即在时钟信号的哪个边沿上数据被传输或采样。若CPHA=0，则数据在时钟的第一个边沿（即时钟信号的上升沿或下降沿）采样，数据在第二个边沿（另一个相反的边沿）被传输；若CPHA=1，则数据在时钟的第二个边沿（与CPHA = 0时不同）采样，数据在第一个边沿传输。

按照CPOL和CPHA的不同，SPI的四种模式分别为：

SPI工作模式 CPOL CPHA SCL空闲状态 采样边沿 采样时刻
0 0 0 LOW 上升沿 奇数边沿
1 0 1 LOW 下降沿 偶数边沿
2 1 0 HIGH 下降沿 奇数边沿
3 1 1 HIGH 上升沿 偶数边沿

实际应用中，通常使用模式0和模式3，即都在奇数边沿采样。

SPI寄存器

SPI通常需要用到以下16位寄存器：

  • SPI控制寄存器（SPI_CR1）：控制主设备模式选择，传输方向，数据格式，时钟极性、时钟相位和使能等。
  • SPI状态寄存器（SPI_SR）：用于查询SPI当前状态
  • SPI数据寄存器（SPI_DR）：双寄存器，包含发送缓存与接收缓存

NOR Flash （W25Q256）

简介

NOR Flash 是一种非易失性存储器，广泛应用于嵌入式系统中，尤其是在需要快速读取数据的场景。它与 NAND Flash 的主要区别在于存储单元的结构和读写性能。NOR Flash 使用并行的地址和数据总线，其存储单元是基于 NOR 门（一个逻辑门）。这种结构使得它能够按字节（Byte）直接读取数据。由于 NOR Flash 支持按字节随机访问，因此在读取速度上优于 NAND Flash。它适合于存储固件、代码等经常读取的应用。其写入操作较慢，通常需要先将整个块（block）擦除后才能进行写入。每个单元的擦写次数有限，通常为数万到数十万次，因此在需要频繁写入的场景中，NOR Flash 的耐用性较差。NOR Flash 主要应用于嵌入式系统，如存储引导程序、固件（BIOS）等。它也广泛应用于汽车、智能设备、消费电子等领域，用作存储启动代码、配置数据等。对于低功耗设备，NOR Flash 适合用于电池供电且不频繁写入的应用。总的来说，NOR Flash 主要优势是其快速的读取能力，适合存储代码和配置等经常读取的内容，而写入和擦除操作较为缓慢。

NOR与NAND在数据写入前都需要有擦除操作。

NM25Q128 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 104Mhz（双输出时相当于 208Mhz，四输出时相当于 416M）。

W25Q256 IC引脚

  • CS：片选引脚，低电平有效
  • DO：MISO引脚
  • WP：写保护引脚。高电平时可读可写，低电平时只读
  • DI：MOSI引脚
  • CLK：串行时钟引脚
  • HOLD：保持引脚，低电平有效

对于W25Q256的存储架构而言，从大到小可以分为这么几级：

  • 256个块（Block），每个64K字节
    • 每个块分为16个扇区（Sector），每个4K字节
      • 每个扇区分为16个页（Page），每个256字节

W25Q256的最小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W25Q256开辟一个至少4K字节的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上的SRAM才能很好的操作。

状态寄存器（Status Register）

W25Q256拥有3个状态寄存器，分别为SR1，SR2和SR3.具体作用可参见手册7.1节。下面是比较重要的一些寄存器位：
SR1

  • S0：BUSY位，只读。置1表示设备忙（有操作正在进行），置0表示设备空闲，准备好接收其他指令。
  • S1：写使能锁存器（WEL），只读。置1表示写使能，置0表示写禁用。

SR3

  • S17：ADP位。置0时，设备启动将会引导至3字节地址模式，该模式下若要访问128Mb以外的flash则必须启用附加地址寄存器（Extended Addr Reg）；置1时，设备启动引导至4字节地址模式。

指令与工作时序

写使能（Write Enable）- 06H

写使能指令用于将SR1的WEL位置1.该指令必须在所有页操作（Page Program）、扇区擦除、块擦除、芯片擦除和写入状态寄存器操作前调用。

写使能指令时序

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 /**
* @brief IC 写使能 Write Enable
* @param NULL
* @retval NULL
*/
void w25q256_write_enable(void)
{
    NORFLASH_CS(0);     

    uint8_t code = 0x06;
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, (uint8_t *)&code, 1, 1000);

    NORFLASH_CS(1);
}

写禁用（Write Disable） - 04H

该指令会将SR1-WEL置0.一般情况下，WEL位会在所有页操作（Page Program）、扇区擦除、块擦除、芯片擦除、写入状态寄存器操作和IC复位后自动置为0.

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 /**
* @brief IC 关闭写使能 Write Disable
* @param NULL
* @retval NULL
*/
void w25q256_write_disable(void)
{
    NORFLASH_CS(0);

    uint8_t code = 0x04;
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, (uint8_t *)&code, 1, 1000);

    NORFLASH_CS(1);
}

读取状态寄存器 - 05H/35H/15H

该指令用于读取状态寄存器中的值，05H用于读取SR1，35H读取SR2，15H读取SR3.该指令可以在任何时候被调用，通过位操作用于确认BUSY位是否为0（&0x01），以确认IC是否准备好接收另一条指令。

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/**
* @brief 读取IC状态寄存器 Read Status Register
 * @note        SR-1
 *              BIT7  6   5   4   3   2   1   0
 *              SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
 *              SPR:默认为0，保护位，配合WP使用
 *              TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
 *              WEL:写使能锁定
 *              BUSY:忙标记为（1：忙；0：空闲）
 *              默认:0x00
 *
 *              SR-2
 *              BIT7  6   5   4   3   2   1   0
 *              SUS   CMP LB3 LB2 LB1 (R) QE  SRP1
 *
 *              SR-3
 *              BIT7      6    5    4   3   2   1   0
 *              HOLD/RST  DRV1 DRV0 (R) (R) WPS ADP ADS
* @param sr:状态寄存器编号
* @retval rxbyte：接收到的8位寄存器值
*/
uint8_t w25q256_read_status_reg(uint8_t sr)
{
    uint8_t rxbyte, readsr = 0;

    NORFLASH_CS(0);

    switch (sr)
    {
        case 1:
            readsr = 0x05;      /* SR1读指令 */
            break;
        
        case 2:
            readsr = 0x35;      /* SR2读指令 */
            break;
        
        case 3:
            readsr = 0x15;      /* SR3读指令 */
            break;
    }

    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, (uint8_t *)&readsr, sizeof(readsr), 1000);   /* 主机发送对应指令 */
    HAL_SPI_Receive(&hspi5, (uint8_t *)&rxbyte, sizeof(rxbyte), 1000);

    NORFLASH_CS(1);

    return rxbyte;
}
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/**
 * @brief       等待空闲
 * @param       NULL
 * @retval      NULL
 */
static void norflash_wait_busy(void)
{
    while ((w25q256_read_status_reg(1) & 0x01) == 0x01);               /* 等待BUSY位清空 */
}

进入/退出4字节地址模式 - B7H/E9H

4字节地址启用时，存入/读取数据时寻址地址为32位而非24位，可以访问128Mb以外的Flash。

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/**
* @brief 进入4字节地址模式 Enter 4-Byte Address Mode
* @note 允许使用32位地址以访问128Mb以外区域
* @param NULL
* @retval NULL
*/
void w25q256_enter_4byte_mode(void)
{
    uint8_t code = 0xB7;

    NORFLASH_CS(0);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, &code, 1, 1000);
    NORFLASH_CS(1);
}
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 /**
* @brief 退出4字节地址模式 Exit 4-Byte Address Mode
* @note 非4字节地址模式下要访问128Mb以外区域需要使用拓展地址寄存器（Extended Addr Reg）
* @param NULL
* @retval NULL
*/
void w25q256_exit_4byte_mode(void)
{
    uint8_t code = 0xE9;

    NORFLASH_CS(0);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, &code, 1, 1000);
    NORFLASH_CS(1);
}

读操作（32位地址模式） - 13H

W25Q256 读操作（32位地址模式）时序
读操作时序包含以下步骤：

  1. 拉低CS电平，激活片选
  2. MOSI发送13H，然后发送待读取32位地址
  3. 从机在CLK下降沿从MISO发送对应地址的数据
  4. 拉高CS电平，传输停止
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 /**
* @brief 读取数据(32位地址模式) Read Data(4Byte Addr Mode)
* @note 参见datasheet 8.2.10
* @param pbuf:接收缓存区地址 
* @param addr：目标地址
* @param datalen：接收长度（字节）
* @retval NULL
*/
void w25q256_read_data_4byte_mode(uint8_t *pbuf, uint32_t addr, uint16_t datalen)
{
    uint8_t read_data_code = 0x13;

    NORFLASH_CS(0);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, &read_data_code, 1, 1000);     /* 发送32位模式读指令 */
    HAL_SPI_Transmit(&hspi5, (uint8_t *) &addr, 4, 1000);   /* 发送32位目标内存地址 */
    HAL_SPI_Receive(&hspi5, pbuf, datalen, 1000);   /* 接收读取值 */
    NORFLASH_CS(1);
}

页编程（Page Program） - 02H

参见：datasheet 8.2.25
W25Q256 页写操作时序

页面编程指令允许在先前擦除的 (FFh) 内存位置对 1 字节到 256 字节（一页）的数据进行编程。必须先执行写使能指令，设备才会接受页面编程指令（WEL= 1）。

如果要编程整个 256 字节页面，则最后一个地址字节（8 个最低有效地址位）应设置为 0。如果最后一个地址字节不为零，并且时钟数超过剩余页面长度，则寻址将绕回到页面的开头。在某些情况下，可以编程少于 256 个字节（部分页面），而不会对同一页面内的其他字节产生任何影响。

注意：执行部分页面编程的一个条件是时钟数不能超过剩余的页长度。如果向设备发送了超过 256 个字节，寻址将绕回到页面的开头并覆盖先前发送的数据。

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W25Q256 扇区擦除时序
W25Q256扇区大小为4K字节，擦除扇区后所有扇区位全部置1，即扇区字节为FFH。

  1. 主机发送“写使能”指令
  2. 确定SPI总线状态：读取状态寄存器的BUSY位，等待BUSY位为0后，继续下一步
  3. 主机拉低CS引脚
  4. 主机从MOSI发送20H到从机，然后发送24位扇区地址
  5. 主机拉高CS引脚，读取寄存器状态，等待扇区擦除完成

W25Q256还有整个IC擦除的操作，只需发送C7H到IC即可实现整片擦除。

嵌入式（裸机开发）
STM32中的SPI
http://akichen891.github.io/2024/12/17/STM32中的SPI/
作者
Aki
发布于
2024年12月17日
更新于
2024年12月19日
许可协议