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若對SPI通訊協(xié)議不了解，可先閱讀《SPI總線(xiàn)協(xié)議介紹》文檔的內容學(xué)習。

關(guān)于FLASH存儲器，請參考"常用存儲器介紹"章節，實(shí)驗中FLASH芯片的具體參數，請參考其規格書(shū)《W25Q128》來(lái)了解。

24.1 SPI協(xié)議簡(jiǎn)介

SPI協(xié)議是由摩托羅拉公司提出的通訊協(xié)議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線(xiàn)。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設備與MCU間，要求通訊速率較高的場(chǎng)合。

學(xué)習本章時(shí)，可與I2C章節對比閱讀，體會(huì )兩種通訊總線(xiàn)的差異以及EEPROM存儲器與FLASH存儲器的區別。下面我們分別對SPI協(xié)議的物理層及協(xié)議層進(jìn)行講解。

24.1.1 SPI物理層

SPI通訊設備之間的常用連接方式見(jiàn)圖 241。

圖 241 常見(jiàn)的SPI通訊系統

SPI通訊使用3條總線(xiàn)及片選線(xiàn)，3條總線(xiàn)分別為SCK、MOSI、MISO，片選線(xiàn)為，它們的作用介紹如下：

(1)     ( Slave Select)：從設備選擇信號線(xiàn)，常稱(chēng)為片選信號線(xiàn)，也稱(chēng)為NSS、CS，以下用NSS表示。當有多個(gè)SPI從設備與SPI主機相連時(shí)，設備的其它信號線(xiàn)SCK、MOSI及MISO同時(shí)并聯(lián)到相同的SPI總線(xiàn)上，即無(wú)論有多少個(gè)從設備，都共同只使用這3條總線(xiàn)；而每個(gè)從設備都有獨立的這一條NSS信號線(xiàn)，本信號線(xiàn)獨占主機的一個(gè)引腳，即有多少個(gè)從設備，就有多少條片選信號線(xiàn)。I2C協(xié)議中通過(guò)設備地址來(lái)尋址、選中總線(xiàn)上的某個(gè)設備并與其進(jìn)行通訊；而SPI協(xié)議中沒(méi)有設備地址，它使用NSS信號線(xiàn)來(lái)尋址，當主機要選擇從設備時(shí)，把該從設備的NSS信號線(xiàn)設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接著(zhù)主機開(kāi)始與被選中的從設備進(jìn)行SPI通訊。所以SPI通訊以NSS線(xiàn)置低電平為開(kāi)始信號，以NSS線(xiàn)被拉高作為結束信號。

(2)    SCK (Serial Clock)：時(shí)鐘信號線(xiàn)，用于通訊數據同步。它由通訊主機產(chǎn)生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時(shí)鐘頻率不一樣，如STM32的SPI時(shí)鐘頻率最大為f_pclk/2，兩個(gè)設備之間通訊時(shí)，通訊速率受限于低速設備。

(3)    MOSI (Master Output， Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線(xiàn)輸出，從機由這條信號線(xiàn)讀入主機發(fā)送的數據，即這條線(xiàn)上數據的方向為主機到從機。

(4)    MISO(Master Input,，Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線(xiàn)讀入數據，從機的數據由這條信號線(xiàn)輸出到主機，即在這條線(xiàn)上數據的方向為從機到主機。

24.1.2 協(xié)議層

與I2C的類(lèi)似，SPI協(xié)議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、時(shí)鐘同步等環(huán)節。

1.    SPI基本通訊過(guò)程

先看看SPI通訊的通訊時(shí)序，見(jiàn)圖 242。

圖 242 SPI通訊時(shí)序

這是一個(gè)主機的通訊時(shí)序。NSS、SCK、MOSI信號都由主機控制產(chǎn)生，而MISO的信號由從機產(chǎn)生，主機通過(guò)該信號線(xiàn)讀取從機的數據。MOSI與MISO的信號只在NSS為低電平的時(shí)候才有效，在SCK的每個(gè)時(shí)鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數據。

以上通訊流程中包含的各個(gè)信號分解如下：

2.    通訊的起始和停止信號

在圖 242中的標號?處，NSS信號線(xiàn)由高變低，是SPI通訊的起始信號。NSS是每個(gè)從機各自獨占的信號線(xiàn)，當從機檢在自己的NSS線(xiàn)檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開(kāi)始準備與主機通訊。在圖中的標號?處，NSS信號由低變高，是SPI通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態(tài)被取消。

3.    數據有效性

SPI使用MOSI及MISO信號線(xiàn)來(lái)傳輸數據，使用SCK信號線(xiàn)進(jìn)行數據同步。MOSI及MISO數據線(xiàn)在SCK的每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時(shí)進(jìn)行的。數據傳輸時(shí)，MSB先行或LSB先行并沒(méi)有作硬性規定，但要保證兩個(gè)SPI通訊設備之間使用同樣的協(xié)定，一般都會(huì )采用圖 242中的MSB先行模式。

觀(guān)察圖中的????標號處，MOSI及MISO的數據在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時(shí)被采樣。即在SCK的下降沿時(shí)刻，MOSI及MISO的數據有效，高電平時(shí)表示數據"1"，為低電平時(shí)表示數據"0"。在其它時(shí)刻，數據無(wú)效，MOSI及MISO為下一次表示數據做準備。

SPI每次數據傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

4.    CPOL/CPHA及通訊模式

上面講述的圖 242中的時(shí)序只是SPI中的其中一種通訊模式，SPI一共有四種通訊模式，它們的主要區別是總線(xiàn)空閑時(shí)SCK的時(shí)鐘狀態(tài)以及數據采樣時(shí)刻。為方便說(shuō)明，在此引入"時(shí)鐘極性CPOL"和"時(shí)鐘相位CPHA"的概念。

時(shí)鐘極性CPOL是指SPI通訊設備處于空閑狀態(tài)時(shí)，SCK信號線(xiàn)的電平信號(即SPI通訊開(kāi)始前、 NSS線(xiàn)為高電平時(shí)SCK的狀態(tài))。CPOL=0時(shí)， SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，CPOL=1時(shí)，則相反。

時(shí)鐘相位CPHA是指數據的采樣的時(shí)刻，當CPHA=0時(shí)，MOSI或MISO數據線(xiàn)上的信號將會(huì )在SCK時(shí)鐘線(xiàn)的"奇數邊沿"被采樣。當CPHA=1時(shí)，數據線(xiàn)在SCK的"偶數邊沿"采樣。見(jiàn)圖 243及圖 244。

圖 243 CPHA=0時(shí)的SPI通訊模式

我們來(lái)分析這個(gè)CPHA=0的時(shí)序圖。首先，根據SCK在空閑狀態(tài)時(shí)的電平，分為兩種情況。SCK信號線(xiàn)在空閑狀態(tài)為低電平時(shí)，CPOL=0；空閑狀態(tài)為高電平時(shí)，CPOL=1。

無(wú)論CPOL=0還是=1，因為我們配置的時(shí)鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時(shí)刻都是在SCK的奇數邊沿。注意當CPOL=0的時(shí)候，時(shí)鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1的時(shí)候，時(shí)鐘的奇數邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時(shí)刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI和MISO數據線(xiàn)的有效信號在SCK的奇數邊沿保持不變，數據信號將在SCK奇數邊沿時(shí)被采樣，在非采樣時(shí)刻，MOSI和MISO的有效信號才發(fā)生切換。

類(lèi)似地，當CPHA=1時(shí)，不受CPOL的影響，數據信號在SCK的偶數邊沿被采樣，見(jiàn)圖 244。

圖 244 CPHA=1時(shí)的SPI通訊模式

由CPOL及CPHA的不同狀態(tài)，SPI分成了四種模式，見(jiàn)表 241，主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實(shí)際中采用較多的是"模式0"與"模式3"。

表 241 SPI的四種模式

24.2 STM32的SPI特性及架構

與I2C外設一樣，STM32芯片也集成了專(zhuān)門(mén)用于SPI協(xié)議通訊的外設。

24.2.1 STM32的SPI外設簡(jiǎn)介

STM32的SPI外設可用作通訊的主機及從機，支持最高的SCK時(shí)鐘頻率為f_pclk/2 (STM32F429型號的芯片默認f_pclk1為90MHz，f_pclk2為45MHz)，完全支持SPI協(xié)議的4種模式，數據幀長(cháng)度可設置為8位或16位，可設置數據MSB先行或LSB先行。它還支持雙線(xiàn)全雙工(前面小節說(shuō)明的都是這種模式)、雙線(xiàn)單向以及單線(xiàn)模式。其中雙線(xiàn)單向模式可以同時(shí)使用MOSI及MISO數據線(xiàn)向一個(gè)方向傳輸數據，可以加快一倍的傳輸速度。而單線(xiàn)模式則可以減少硬件接線(xiàn)，當然這樣速率會(huì )受到影響。我們只講解雙線(xiàn)全雙工模式。

STM32的SPI外設還支持I2S功能，I2S功能是一種音頻串行通訊協(xié)議，在我們以后講解MP3播放器的章節中會(huì )進(jìn)行介紹。

24.2.2 STM32的SPI架構剖析

圖 245 SPI架構圖

1.    通訊引腳

SPI的所有硬件架構都從圖 245中左側MOSI、MISO、SCK及NSS線(xiàn)展開(kāi)的。STM32芯片有多個(gè)SPI外設，它們的SPI通訊信號引出到不同的GPIO引腳上，使用時(shí)必須配置到這些指定的引腳，見(jiàn)表 242。關(guān)于GPIO引腳的復用功能，可查閱《STM32F4xx規格書(shū)》，以它為準。

表 242 STM32F4xx的SPI引腳(整理自《STM32F4xx規格書(shū)》)

其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的設備，最高通信速率達45Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的設備，最高通信速率為22.5Mbits/s。除了通訊速率，在其它功能上沒(méi)有差異。

2.    時(shí)鐘控制邏輯

SCK線(xiàn)的時(shí)鐘信號，由波特率發(fā)生器根據"控制寄存器CR1"中的BR[0:2]位控制，該位是對f_pclk時(shí)鐘的分頻因子，對f_pclk的分頻結果就是SCK引腳的輸出時(shí)鐘頻率，計算方法見(jiàn)表 243。

表 243 BR位對fpclk的分頻

其中的f_pclk頻率是指SPI所在的APB總線(xiàn)頻率，APB1為f_pclk1，APB2為f_pckl2。

通過(guò)配置"控制寄存器CR"的"CPOL位"及"CPHA"位可以把SPI設置成前面分析的4種SPI模式。

3.    數據控制邏輯

SPI的MOSI及MISO都連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的內容來(lái)源于接收緩沖區及發(fā)送緩沖區以及MISO、MOSI線(xiàn)。當向外發(fā)送數據的時(shí)候，數據移位寄存器以"發(fā)送緩沖區"為數據源，把數據一位一位地通過(guò)數據線(xiàn)發(fā)送出去；當從外部接收數據的時(shí)候，數據移位寄存器把數據線(xiàn)采樣到的數據一位一位地存儲到"接收緩沖區"中。通過(guò)寫(xiě)SPI的"數據寄存器DR"把數據填充到發(fā)送緩沖區中，通過(guò)"數據寄存器DR"，可以獲取接收緩沖區中的內容。其中數據幀長(cháng)度可以通過(guò)"控制寄存器CR1"的"DFF位"配置成8位及16位模式；配置"LSBFIRST位"可選擇MSB先行還是LSB先行。

4.    整體控制邏輯

整體控制邏輯負責協(xié)調整個(gè)SPI外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的"控制寄存器(CR1/CR2)"的參數而改變，基本的控制參數包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主從模式、單雙向模式等等。在外設工作時(shí)，控制邏輯會(huì )根據外設的工作狀態(tài)修改"狀態(tài)寄存器(SR)"，我們只要讀取狀態(tài)寄存器相關(guān)的寄存器位，就可以了解SPI的工作狀態(tài)了。除此之外，控制邏輯還根據要求，負責控制產(chǎn)生SPI中斷信號、DMA請求及控制NSS信號線(xiàn)。

實(shí)際應用中，我們一般不使用STM32 SPI外設的標準NSS信號線(xiàn)，而是更簡(jiǎn)單地使用普通的GPIO，軟件控制它的電平輸出，從而產(chǎn)生通訊起始和停止信號。

24.2.3 通訊過(guò)程

STM32使用SPI外設通訊時(shí)，在通訊的不同階段它會(huì )對"狀態(tài)寄存器SR"的不同數據位寫(xiě)入參數，我們通過(guò)讀取這些寄存器標志來(lái)了解通訊狀態(tài)。

圖 246中的是"主模式"流程，即STM32作為SPI通訊的主機端時(shí)的數據收發(fā)過(guò)程。

圖 246 主發(fā)送器通訊過(guò)程

主模式收發(fā)流程及事件說(shuō)明如下：

(1)    控制NSS信號線(xiàn)，產(chǎn)生起始信號(圖中沒(méi)有畫(huà)出)；

(2)    把要發(fā)送的數據寫(xiě)入到"數據寄存器DR"中，該數據會(huì )被存儲到發(fā)送緩沖區；

(3)    通訊開(kāi)始，SCK時(shí)鐘開(kāi)始運行。MOSI把發(fā)送緩沖區中的數據一位一位地傳輸出去；MISO則把數據一位一位地存儲進(jìn)接收緩沖區中；

(4)    當發(fā)送完一幀數據的時(shí)候，"狀態(tài)寄存器SR"中的"TXE標志位"會(huì )被置1，表示傳輸完一幀，發(fā)送緩沖區已空；類(lèi)似地，當接收完一幀數據的時(shí)候，"RXNE標志位"會(huì )被置1，表示傳輸完一幀，接收緩沖區非空；

(5)    等待到"TXE標志位"為1時(shí)，若還要繼續發(fā)送數據，則再次往"數據寄存器DR"寫(xiě)入數據即可；等待到"RXNE標志位"為1時(shí)，通過(guò)讀取"數據寄存器DR"可以獲取接收緩沖區中的內容。

假如我們使能了TXE或RXNE中斷，TXE或RXNE置1時(shí)會(huì )產(chǎn)生SPI中斷信號，進(jìn)入同一個(gè)中斷服務(wù)函數，到SPI中斷服務(wù)程序后，可通過(guò)檢查寄存器位來(lái)了解是哪一個(gè)事件，再分別進(jìn)行處理。也可以使用DMA方式來(lái)收發(fā)"數據寄存器DR"中的數據。

24.3 SPI初始化結構體詳解

跟其它外設一樣，STM32標準庫提供了SPI初始化結構體及初始化函數來(lái)配置SPI外設。初始化結構體及函數定義在庫文件"stm32f4xx_spi.h"及"stm32f4xx_spi.c"中，編程時(shí)我們可以結合這兩個(gè)文件內的注釋使用或參考庫幫助文檔。了解初始化結構體后我們就能對SPI外設運用自如了，見(jiàn)代碼清單 241。

代碼清單 241 SPI初始化結構體

1 typedef struct

2 {

3 uint16_t SPI_Direction; /*設置SPI的單雙向模式 */

4 uint16_t SPI_Mode; /*設置SPI的主/從機端模式 */

5 uint16_t SPI_DataSize; /*設置SPI的數據幀長(cháng)度，可選8/16位 */

6 uint16_t SPI_CPOL; /*設置時(shí)鐘極性CPOL，可選高/低電平*/

7 uint16_t SPI_CPHA; /*設置時(shí)鐘相位，可選奇/偶數邊沿采樣 */

8 uint16_t SPI_NSS; /*設置NSS引腳由SPI硬件控制還是軟件控制*/

9 uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*設置時(shí)鐘分頻因子，fpclk/分頻數=fSCK */

10 uint16_t SPI_FirstBit; /*設置MSB/LSB先行 */

11 uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*設置CRC校驗的表達式 */

12 } SPI_InitTypeDef;

這些結構體成員說(shuō)明如下，其中括號內的文字是對應參數在STM32標準庫中定義的宏：

(1)    SPI_Direction

本成員設置SPI的通訊方向，可設置為雙線(xiàn)全雙工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，雙線(xiàn)只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，單線(xiàn)只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、單線(xiàn)只發(fā)送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

(2)    SPI_Mode

本成員設置SPI工作在主機模式(SPI_Mode_Master)或從機模式(SPI_Mode_Slave )，這兩個(gè)模式的最大區別為SPI的SCK信號線(xiàn)的時(shí)序，SCK的時(shí)序是由通訊中的主機產(chǎn)生的。若被配置為從機模式，STM32的SPI外設將接受外來(lái)的SCK信號。

(3)    SPI_DataSize

本成員可以選擇SPI通訊的數據幀大小是為8位(SPI_DataSize_8b)還是16位(SPI_DataSize_16b)。

(4)    SPI_CPOL和SPI_CPHA

這兩個(gè)成員配置SPI的時(shí)鐘極性CPOL和時(shí)鐘相位CPHA，這兩個(gè)配置影響到SPI的通訊模式，關(guān)于CPOL和CPHA的說(shuō)明參考前面"通訊模式"小節。

時(shí)鐘極性CPOL成員，可設置為高電平(SPI_CPOL_High)或低電平(SPI_CPOL_Low )。

時(shí)鐘相位CPHA 則可以設置為SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇數邊沿采集數據) 或SPI_CPHA_2Edge (在SCK的偶數邊沿采集數據) 。

(5)    SPI_NSS

本成員配置NSS引腳的使用模式，可以選擇為硬件模式(SPI_NSS_Hard )與軟件模式(SPI_NSS_Soft  )，在硬件模式中的SPI片選信號由SPI硬件自動(dòng)產(chǎn)生，而軟件模式則需要我們親自把相應的GPIO端口拉高或置低產(chǎn)生非片選和片選信號。實(shí)際中軟件模式應用比較多。

(6)    SPI_BaudRatePrescaler

本成員設置波特率分頻因子，分頻后的時(shí)鐘即為SPI的SCK信號線(xiàn)的時(shí)鐘頻率。這個(gè)成員參數可設置為fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分頻。

(7)    SPI_FirstBit

所有串行的通訊協(xié)議都會(huì )有MSB先行(高位數據在前)還是LSB先行(低位數據在前)的問(wèn)題，而STM32的SPI模塊可以通過(guò)這個(gè)結構體成員，對這個(gè)特性編程控制。

(8)    SPI_CRCPolynomial

這是SPI的CRC校驗中的多項式，若我們使用CRC校驗時(shí)，就使用這個(gè)成員的參數(多項式)，來(lái)計算CRC的值。

配置完這些結構體成員后，我們要調用SPI_Init函數把這些參數寫(xiě)入到寄存器中，實(shí)現SPI的初始化，然后調用SPI_Cmd來(lái)使能SPI外設。

24.4 SPI—讀寫(xiě)串行FLASH實(shí)驗

FLSAH存儲器又稱(chēng)閃存，它與EEPROM都是掉電后數據不丟失的存儲器，但FLASH存儲器容量普遍大于EEPROM，現在基本取代了它的地位。我們生活中常用的U盤(pán)、SD卡、SSD固態(tài)硬盤(pán)以及我們STM32芯片內部用于存儲程序的設備，都是FLASH類(lèi)型的存儲器。在存儲控制上，最主要的區別是FLASH芯片只能一大片一大片地擦寫(xiě)，而在"I2C章節"中我們了解到EEPROM可以單個(gè)字節擦寫(xiě)。

本小節以一種使用SPI通訊的串行FLASH存儲芯片的讀寫(xiě)實(shí)驗為大家講解STM32的SPI使用方法。實(shí)驗中STM32的SPI外設采用主模式，通過(guò)查詢(xún)事件的方式來(lái)確保正常通訊。

24.4.1 硬件設計

圖 247 SPI串行FLASH硬件連接圖

本實(shí)驗板中的FLASH芯片(型號：W25Q128)是一種使用SPI通訊協(xié)議的NOR FLASH存儲器，它的CS/CLK/DIO/DO引腳分別連接到了STM32對應的SDI引腳NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中STM32的NSS引腳是一個(gè)普通的GPIO，不是SPI的專(zhuān)用NSS引腳，所以程序中我們要使用軟件控制的方式。

FLASH芯片中還有WP和HOLD引腳。WP引腳可控制寫(xiě)保護功能，當該引腳為低電平時(shí)，禁止寫(xiě)入數據。我們直接接電源，不使用寫(xiě)保護功能。HOLD引腳可用于暫停通訊，該引腳為低電平時(shí)，通訊暫停，數據輸出引腳輸出高阻抗狀態(tài)，時(shí)鐘和數據輸入引腳無(wú)效。我們直接接電源，不使用通訊暫停功能。

關(guān)于FLASH芯片的更多信息，可參考其數據手冊《W25Q128》來(lái)了解。若您使用的實(shí)驗板FLASH的型號或控制引腳不一樣，只需根據我們的工程修改即可，程序的控制原理相同。

24.4.2 軟件設計

為了使工程更加有條理，我們把讀寫(xiě)FLASH相關(guān)的代碼獨立分開(kāi)存儲，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_spi_flash.c"及"bsp_spi_ flash.h"文件，這些文件也可根據您的喜好命名，它們不屬于STM32標準庫的內容，是由我們自己根據應用需要編寫(xiě)的。

1.    編程要點(diǎn)

(7)    初始化通訊使用的目標引腳及端口時(shí)鐘；

(8)    使能SPI外設的時(shí)鐘；

(9)    配置SPI外設的模式、地址、速率等參數并使能SPI外設；

(10)    編寫(xiě)基本SPI按字節收發(fā)的函數；

(11)    編寫(xiě)對FLASH擦除及讀寫(xiě)操作的的函數；

(12)    編寫(xiě)測試程序，對讀寫(xiě)數據進(jìn)行校驗。

2.    代碼分析

SPI硬件相關(guān)宏定義

我們把SPI硬件相關(guān)的配置都以宏的形式定義到"bsp_spi_ flash.h"文件中，見(jiàn)代碼清單 242。

代碼清單 242 SPI硬件配置相關(guān)的宏

1 //SPI號及時(shí)鐘初始化函數

2 #define FLASH_SPI SPI3

3 #define FLASH_SPI_CLK RCC_APB1Periph_SPI3

4 #define FLASH_SPI_CLK_INIT RCC_APB1PeriphClockCmd

5 //SCK引腳

6 #define FLASH_SPI_SCK_PIN GPIO_Pin_3

7 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOB

8 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

9 #define FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE GPIO_PinSource3

10 #define FLASH_SPI_SCK_AF GPIO_AF_SPI3

11 //MISO引腳

12 #define FLASH_SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_4

13 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOB

14 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

15 #define FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE GPIO_PinSource4

16 #define FLASH_SPI_MISO_AF GPIO_AF_SPI3

17 //MOSI引腳

18 #define FLASH_SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_5

19 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOB

20 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB

21 #define FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE GPIO_PinSource5

22 #define FLASH_SPI_MOSI_AF GPIO_AF_SPI3

23 //CS(NSS)引腳

24 #define FLASH_CS_PIN GPIO_Pin_8

25 #define FLASH_CS_GPIO_PORT GPIOI

26 #define FLASH_CS_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOI

27

28 //控制CS(NSS)引腳輸出低電平

29 #define SPI_FLASH_CS_LOW() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRH=FLASH_CS_PIN;}

30 //控制CS(NSS)引腳輸出高電平

31 #define SPI_FLASH_CS_HIGH() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRL=FLASH_CS_PIN;}

以上代碼根據硬件連接，把與FLASH通訊使用的SPI號、引腳號、引腳源以及復用功能映射都以宏封裝起來(lái)，并且定義了控制CS(NSS)引腳輸出電平的宏，以便配置產(chǎn)生起始和停止信號時(shí)使用。

初始化SPI的 GPIO

利用上面的宏，編寫(xiě)SPI的初始化函數，見(jiàn)代碼清單 243。

代碼清單 243 SPI的初始化函數(GPIO初始化部分)

 1 			

2 /**

3 * @brief SPI_FLASH初始化

4 * @param 無(wú)

5 * @retval 無(wú)

6 */

7 void SPI_FLASH_Init(void)

8 {

9 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

10

11 /* 使能 FLASH_SPI 及 GPIO 時(shí)鐘 */

12 /*!< SPI_FLASH_SPI_CS_GPIO, SPI_FLASH_SPI_MOSI_GPIO,

13 SPI_FLASH_SPI_MISO_GPIO和 SPI_FLASH_SPI_SCK_GPIO 時(shí)鐘使能 */

14 RCC_AHB1PeriphClockCmd (FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK | FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|

15 FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);

16

17 /*!< SPI_FLASH_SPI 時(shí)鐘使能 */

18 FLASH_SPI_CLK_INIT(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);

19

20 //設置引腳復用

21 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,

22 FLASH_SPI_SCK_AF);

23 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,

24 FLASH_SPI_MISO_AF);

25 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,

26 FLASH_SPI_MOSI_AF);

27

28 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: SCK */

29 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;

30 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

31 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

32 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

33 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

35

36 GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

37

38 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: MISO */

39 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;

40 GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

41

42 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: MOSI */

43 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;

44 GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

45

46 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引腳: CS */

47 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;

48 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;

49 GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

50

51 /* 停止信號 FLASH: CS引腳高電平*/

52 SPI_FLASH_CS_HIGH();

53 /*為方便講解，以下省略SPI模式初始化部分*/

54 //......

55 }

與所有使用到GPIO的外設一樣，都要先把使用到的GPIO引腳模式初始化，配置好復用功能。GPIO初始化流程如下：

(1)    使用GPIO_InitTypeDef定義GPIO初始化結構體變量，以便下面用于存儲GPIO配置；

(2)    調用庫函數RCC_AHB1PeriphClockCmd來(lái)使能SPI引腳使用的GPIO端口時(shí)鐘，調用時(shí)使用"|"操作同時(shí)配置多個(gè)引腳。調用宏FLASH_SPI_CLK_INIT使能SPI外設時(shí)鐘(該宏封裝了APB時(shí)鐘使能的庫函數)。

(3)    向GPIO初始化結構體賦值，把SCK/MOSI/MISO引腳初始化成復用推挽模式。而CS(NSS)引腳由于使用軟件控制，我們把它配置為普通的推挽輸出模式。

(4)    使用以上初始化結構體的配置，調用GPIO_Init函數向寄存器寫(xiě)入參數，完成GPIO的初始化。

配置SPI的模式

以上只是配置了SPI使用的引腳，對SPI外設模式的配置。在配置STM32的SPI模式前，我們要先了解從機端的SPI模式。本例子中可通過(guò)查閱FLASH數據手冊《W25Q128》獲取。根據FLASH芯片的說(shuō)明，它支持SPI模式0及模式3，支持雙線(xiàn)全雙工，使用MSB先行模式，支持最高通訊時(shí)鐘為104MHz，數據幀長(cháng)度為8位。我們要把STM32的SPI外設中的這些參數配置一致。見(jiàn)代碼清單 244。

代碼清單 244 配置SPI模式

1 /**

2 * @brief SPI_FLASH引腳初始化

3 * @param 無(wú)

4 * @retval 無(wú)

5 */

6 void SPI_FLASH_Init(void)

7 {

8 /*為方便講解，省略了SPI的GPIO初始化部分*/

9 //......

10

11 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

12 /* FLASH_SPI 模式配置 */

13 // FLASH芯片支持SPI模式0及模式3，據此設置CPOL CPHA

14 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;

15 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

16 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

17 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;

18 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;

19 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

20 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;

21 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

22 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

23 SPI_Init(FLASH_SPI, &SPI_InitStructure);

24

25 /* 使能 FLASH_SPI */

26 SPI_Cmd(FLASH_SPI, ENABLE);

27 }

這段代碼中，把STM32的SPI外設配置為主機端，雙線(xiàn)全雙工模式，數據幀長(cháng)度為8位，使用SPI模式3(CPOL=1，CPHA=1)，NSS引腳由軟件控制以及MSB先行模式。最后一個(gè)成員為CRC計算式，由于我們與FLASH芯片通訊不需要CRC校驗，并沒(méi)有使能SPI的CRC功能，這時(shí)CRC計算式的成員值是無(wú)效的。

賦值結束后調用庫函數SPI_Init把這些配置寫(xiě)入寄存器，并調用SPI_Cmd函數使能外設。

使用SPI發(fā)送和接收一個(gè)字節的數據

初始化好SPI外設后，就可以使用SPI通訊了，復雜的數據通訊都是由單個(gè)字節數據收發(fā)組成的，我們看看它的代碼實(shí)現，見(jiàn)代碼清單 245。

代碼清單 245 使用SPI發(fā)送和接收一個(gè)字節的數據

1 #define Dummy_Byte 0xFF

2 /**

3 * @brief 使用SPI發(fā)送一個(gè)字節的數據

4 * @param byte：要發(fā)送的數據

5 * @retval 返回接收到的數據

6 */

7 u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)

8 {

9 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

10

11 /* 等待發(fā)送緩沖區為空，TXE事件 */

12 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)

13 {

14 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);

15 }

16

17 /* 寫(xiě)入數據寄存器，把要寫(xiě)入的數據寫(xiě)入發(fā)送緩沖區 */

18 SPI_I2S_SendData(FLASH_SPI, byte);

19

20 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

21

22 /* 等待接收緩沖區非空，RXNE事件 */

23 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)

24 {

25 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);

26 }

27

28 /* 讀取數據寄存器，獲取接收緩沖區數據 */

29 return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);

30 }

31

32 /**

33 * @brief 使用SPI讀取一個(gè)字節的數據

34 * @param 無(wú)

35 * @retval 返回接收到的數據

36 */

37 u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)

38 {

39 return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));

40 }

SPI_FLASH_SendByte發(fā)送單字節函數中包含了等待事件的超時(shí)處理，這部分原理跟I2C中的一樣，在此不再贅述。

SPI_FLASH_SendByte函數實(shí)現了前面講解的"SPI通訊過(guò)程"：

(1)    本函數中不包含SPI起始和停止信號，只是收發(fā)的主要過(guò)程，所以在調用本函數前后要做好起始和停止信號的操作；

(2)    對SPITimeout變量賦值為宏SPIT_FLAG_TIMEOUT。這個(gè)SPITimeout變量在下面的while循環(huán)中每次循環(huán)減1，該循環(huán)通過(guò)調用庫函數SPI_I2S_GetFlagStatus檢測事件，若檢測到事件，則進(jìn)入通訊的下一階段，若未檢測到事件則停留在此處一直檢測，當檢測SPIT_FLAG_TIMEOUT次都還沒(méi)等待到事件則認為通訊失敗，調用的SPI_TIMEOUT_UserCallback輸出調試信息，并退出通訊；

(3)    通過(guò)檢測TXE標志，獲取發(fā)送緩沖區的狀態(tài)，若發(fā)送緩沖區為空，則表示可能存在的上一個(gè)數據已經(jīng)發(fā)送完畢；

(4)    等待至發(fā)送緩沖區為空后，調用庫函數SPI_I2S_SendData把要發(fā)送的數據"byte"寫(xiě)入到SPI的數據寄存器DR，寫(xiě)入SPI數據寄存器的數據會(huì )存儲到發(fā)送緩沖區，由SPI外設發(fā)送出去；

(5)    寫(xiě)入完畢后等待RXNE事件，即接收緩沖區非空事件。由于SPI雙線(xiàn)全雙工模式下MOSI與MISO數據傳輸是同步的(請對比"SPI通訊過(guò)程"閱讀)，當接收緩沖區非空時(shí)，表示上面的數據發(fā)送完畢，且接收緩沖區也收到新的數據；

(6)    等待至接收緩沖區非空時(shí)，通過(guò)調用庫函數SPI_I2S_ReceiveData讀取SPI的數據寄存器DR，就可以獲取接收緩沖區中的新數據了。代碼中使用關(guān)鍵字"return"把接收到的這個(gè)數據作為SPI_FLASH_SendByte函數的返回值，所以我們可以看到在下面定義的SPI接收數據函數SPI_FLASH_ReadByte，它只是簡(jiǎn)單地調用了SPI_FLASH_SendByte函數發(fā)送數據"Dummy_Byte"，然后獲取其返回值(因為不關(guān)注發(fā)送的數據，所以此時(shí)的輸入參數"Dummy_Byte"可以為任意值)?？梢赃@樣做的原因是SPI的接收過(guò)程和發(fā)送過(guò)程實(shí)質(zhì)是一樣的，收發(fā)同步進(jìn)行，關(guān)鍵在于我們的上層應用中，關(guān)注的是發(fā)送還是接收的數據。

控制FLASH的指令

搞定SPI的基本收發(fā)單元后，還需要了解如何對FLASH芯片進(jìn)行讀寫(xiě)。FLASH芯片自定義了很多指令，我們通過(guò)控制STM32利用SPI總線(xiàn)向FLASH芯片發(fā)送指令，FLASH芯片收到后就會(huì )執行相應的操作。

而這些指令，對主機端(STM32)來(lái)說(shuō)，只是它遵守最基本的SPI通訊協(xié)議發(fā)送出的數據，但在設備端(FLASH芯片)把這些數據解釋成不同的意義，所以才成為指令。查看FLASH芯片的數據手冊《W25Q128》，可了解各種它定義的各種指令的功能及指令格式，見(jiàn)表 244。

表 244 FLASH常用芯片指令表(摘自規格書(shū)《W25Q128》)

該表中的第一列為指令名，第二列為指令編碼，第三至第N列的具體內容根據指令的不同而有不同的含義。其中帶括號的字節參數，方向為FLASH向主機傳輸，即命令響應，不帶括號的則為主機向FLASH傳輸。表中"A0~A23"指FLASH芯片內部存儲器組織的地址；"M0~M7"為廠(chǎng)商號（MANUFACTURER ID）；"ID0-ID15"為FLASH芯片的ID；"dummy"指該處可為任意數據；"D0~D7"為FLASH內部存儲矩陣的內容。

在FLSAH芯片內部，存儲有固定的廠(chǎng)商編號(M7-M0)和不同類(lèi)型FLASH芯片獨有的編號(ID15-ID0)，見(jiàn)表 245。

表 245 FLASH數據手冊的設備ID說(shuō)明

通過(guò)指令表中的讀ID指令"JEDEC ID"可以獲取這兩個(gè)編號，該指令編碼為"9F h"，其中"9F h"是指16進(jìn)制數"9F" (相當于C語(yǔ)言中的0x9F)。緊跟指令編碼的三個(gè)字節分別為FLASH芯片輸出的"(M7-M0)"、"(ID15-ID8)"及"(ID7-ID0)"。

此處我們以該指令為例，配合其指令時(shí)序圖進(jìn)行講解，見(jiàn)圖 248。

圖 248 FLASH讀ID指令"JEDEC ID"的時(shí)序(摘自規格書(shū)《W25Q128》)

主機首先通過(guò)MOSI線(xiàn)向FLASH芯片發(fā)送第一個(gè)字節數據為"9F h"，當FLASH芯片收到該數據后，它會(huì )解讀成主機向它發(fā)送了"JEDEC指令"，然后它就作出該命令的響應：通過(guò)MISO線(xiàn)把它的廠(chǎng)商ID(M7-M0)及芯片類(lèi)型(ID15-0)發(fā)送給主機，主機接收到指令響應后可進(jìn)行校驗。常見(jiàn)的應用是主機端通過(guò)讀取設備ID來(lái)測試硬件是否連接正常，或用于識別設備。

對于FLASH芯片的其它指令，都是類(lèi)似的，只是有的指令包含多個(gè)字節，或者響應包含更多的數據。

實(shí)際上，編寫(xiě)設備驅動(dòng)都是有一定的規律可循的。首先我們要確定設備使用的是什么通訊協(xié)議。如上一章的EEPROM使用的是I²C，本章的FLASH使用的是SPI。那么我們就先根據它的通訊協(xié)議，選擇好STM32的硬件模塊，并進(jìn)行相應的I²C或SPI模塊初始化。接著(zhù)，我們要了解目標設備的相關(guān)指令，因為不同的設備，都會(huì )有相應的不同的指令。如EEPROM中會(huì )把第一個(gè)數據解釋為內部存儲矩陣的地址(實(shí)質(zhì)就是指令)。而FLASH則定義了更多的指令，有寫(xiě)指令，讀指令，讀ID指令等等。最后，我們根據這些指令的格式要求，使用通訊協(xié)議向設備發(fā)送指令，達到控制設備的目標。

定義FLASH指令編碼表

為了方便使用，我們把FLASH芯片的常用指令編碼使用宏來(lái)封裝起來(lái)，后面需要發(fā)送指令編碼的時(shí)候我們直接使用這些宏即可，見(jiàn)代碼清單 246。

代碼清單 246 FLASH指令編碼表

1 /*FLASH常用命令*/

2 #define W25X_WriteEnable 0x06

3 #define W25X_WriteDisable 0x04

4 #define W25X_ReadStatusReg 0x05

5 #define W25X_WriteStatusReg 0x01

6 #define W25X_ReadData 0x03

7 #define W25X_FastReadData 0x0B

8 #define W25X_FastReadDual 0x3B

9 #define W25X_PageProgram 0x02

10 #define W25X_BlockErase 0xD8

11 #define W25X_SectorErase 0x20

12 #define W25X_ChipErase 0xC7

13 #define W25X_PowerDown 0xB9

14 #define W25X_ReleasePowerDown 0xAB

15 #define W25X_DeviceID 0xAB

16 #define W25X_ManufactDeviceID 0x90

17 #define W25X_JedecDeviceID 0x9F

18 /*其它*/

19 #define sFLASH_ID 0XEF4018

20 #define Dummy_Byte 0xFF

讀取FLASH芯片ID

根據"JEDEC"指令的時(shí)序，我們把讀取FLASH ID的過(guò)程編寫(xiě)成一個(gè)函數，見(jiàn)代碼清單 247。

代碼清單 247 讀取FLASH芯片ID

1 /**

2 * @brief 讀取FLASH ID

3 * @param 無(wú)

4 * @retval FLASH ID

5 */

6 u32 SPI_FLASH_ReadID(void)

7 {

8 u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;

9

10 /* 開(kāi)始通訊：CS低電平 */

11 SPI_FLASH_CS_LOW();

12

13 /* 發(fā)送JEDEC指令，讀取ID */

14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID);

15

16 /* 讀取一個(gè)字節數據 */

17 Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

18

19 /* 讀取一個(gè)字節數據 */

20 Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

21

22 /* 讀取一個(gè)字節數據 */

23 Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

24

25 /* 停止通訊：CS高電平 */

26 SPI_FLASH_CS_HIGH();

27

28 /*把數據組合起來(lái)，作為函數的返回值*/

29 Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;

30

31 return Temp;

32 }

這段代碼利用控制CS引腳電平的宏"SPI_FLASH_CS_LOW/HIGH"以及前面編寫(xiě)的單字節收發(fā)函數SPI_FLASH_SendByte，很清晰地實(shí)現了"JEDEC ID"指令的時(shí)序：發(fā)送一個(gè)字節的指令編碼"W25X_JedecDeviceID"，然后讀取3個(gè)字節，獲取FLASH芯片對該指令的響應，最后把讀取到的這3個(gè)數據合并到一個(gè)變量Temp中，然后作為函數返回值，把該返回值與我們定義的宏"sFLASH_ID"對比，即可知道FLASH芯片是否正常。

FLASH寫(xiě)使能以及讀取當前狀態(tài)

在向FLASH芯片存儲矩陣寫(xiě)入數據前，首先要使能寫(xiě)操作，通過(guò)"Write Enable"命令即可寫(xiě)使能，見(jiàn)代碼清單 248。

代碼清單 248 寫(xiě)使能命令

1 /**

2 * @brief 向FLASH發(fā)送寫(xiě)使能命令

3 * @param none

4 * @retval none

5 */

6 void SPI_FLASH_WriteEnable(void)

7 {

8 /* 通訊開(kāi)始：CS低 */

9 SPI_FLASH_CS_LOW();

10

11 /* 發(fā)送寫(xiě)使能命令*/

12 SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable);

13

14 /*通訊結束：CS高 */

15 SPI_FLASH_CS_HIGH();

16 }

與EEPROM一樣，由于FLASH芯片向內部存儲矩陣寫(xiě)入數據需要消耗一定的時(shí)間，并不是在總線(xiàn)通訊結束的一瞬間完成的，所以在寫(xiě)操作后需要確認FLASH芯片"空閑"時(shí)才能進(jìn)行再次寫(xiě)入。為了表示自己的工作狀態(tài)，FLASH芯片定義了一個(gè)狀態(tài)寄存器，見(jiàn)圖 249。

圖 249 FLASH芯片的狀態(tài)寄存器

我們只關(guān)注這個(gè)狀態(tài)寄存器的第0位"BUSY"，當這個(gè)位為"1"時(shí)，表明FLASH芯片處于忙碌狀態(tài)，它可能正在對內部的存儲矩陣進(jìn)行"擦除"或"數據寫(xiě)入"的操作。

利用指令表中的"Read Status Register"指令可以獲取FLASH芯片狀態(tài)寄存器的內容，其時(shí)序見(jiàn)圖 2410。

圖 2410 讀取狀態(tài)寄存器的時(shí)序

只要向FLASH芯片發(fā)送了讀狀態(tài)寄存器的指令，FLASH芯片就會(huì )持續向主機返回最新的狀態(tài)寄存器內容，直到收到SPI通訊的停止信號。據此我們編寫(xiě)了具有等待FLASH芯片寫(xiě)入結束功能的函數，見(jiàn)代碼清單 249。

代碼清單 249 通過(guò)讀狀態(tài)寄存器等待FLASH芯片空閑

1 /*WIP(BUSY)標志：FLASH內部正在寫(xiě)入*/

2 #define WIP_Flag 0x01

3

4 /**

5 * @brief 等待WIP(BUSY)標志被置0，即等待到FLASH內部數據寫(xiě)入完畢

6 * @param none

7 * @retval none

8 */

9 void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void)

10 {

11 u8 FLASH_Status = 0;

12 /* 選擇 FLASH: CS 低 */

13 SPI_FLASH_CS_LOW();

14

15 /* 發(fā)送讀狀態(tài)寄存器命令 */

16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg);

17

18 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

19 /* 若FLASH忙碌，則等待 */

20 do

21 {

22 /* 讀取FLASH芯片的狀態(tài)寄存器 */

23 FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

24 if ((SPITimeout--) == 0)

25 {

26 SPI_TIMEOUT_UserCallback(4);

27 return;

28 }

29 }

30 while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET); /* 正在寫(xiě)入標志 */

31

32 /* 停止信號 FLASH: CS 高 */

33 SPI_FLASH_CS_HIGH();

34 }

這段代碼發(fā)送讀狀態(tài)寄存器的指令編碼"W25X_ReadStatusReg"后，在while循環(huán)里持續獲取寄存器的內容并檢驗它的"WIP_Flag標志"(即BUSY位)，一直等待到該標志表示寫(xiě)入結束時(shí)才退出本函數，以便繼續后面與FLASH芯片的數據通訊。

FLASH扇區擦除

由于FLASH存儲器的特性決定了它只能把原來(lái)為"1"的數據位改寫(xiě)成"0"，而原來(lái)為"0"的數據位不能直接改寫(xiě)為"1"。所以這里涉及到數據"擦除"的概念，在寫(xiě)入前，必須要對目標存儲矩陣進(jìn)行擦除操作，把矩陣中的數據位擦除為"1"，在數據寫(xiě)入的時(shí)候，如果要存儲數據"1"，那就不修改存儲矩陣，在要存儲數據"0"時(shí)，才更改該位。

通常，對存儲矩陣擦除的基本操作單位都是多個(gè)字節進(jìn)行，如本例子中的FLASH芯片支持"扇區擦除"、"塊擦除"以及"整片擦除"，見(jiàn)表 246。

表 246 本實(shí)驗FLASH芯片的擦除單位

FLASH芯片的最小擦除單位為扇區(Sector)，而一個(gè)塊(Block)包含16個(gè)扇區，其內部存儲矩陣分布見(jiàn)圖 2411。。

圖 2411 FLASH芯片的存儲矩陣

使用扇區擦除指令"Sector Erase"可控制FLASH芯片開(kāi)始擦寫(xiě)，其指令時(shí)序見(jiàn)圖 2414。

圖 2412 扇區擦除時(shí)序

扇區擦除指令的第一個(gè)字節為指令編碼，緊接著(zhù)發(fā)送的3個(gè)字節用于表示要擦除的存儲矩陣地址。要注意的是在扇區擦除指令前，還需要先發(fā)送"寫(xiě)使能"指令，發(fā)送扇區擦除指令后，通過(guò)讀取寄存器狀態(tài)等待扇區擦除操作完畢，代碼實(shí)現見(jiàn)代碼清單 2410。

代碼清單 2410 擦除扇區

1 /**

2 * @brief 擦除FLASH扇區

3 * @param SectorAddr：要擦除的扇區地址

4 * @retval 無(wú)

5 */

6 void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr)

7 {

8 /* 發(fā)送FLASH寫(xiě)使能命令 */

9 SPI_FLASH_WriteEnable();

10 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

11 /* 擦除扇區 */

12 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

13 SPI_FLASH_CS_LOW();

14 /* 發(fā)送扇區擦除指令*/

15 SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase);

16 /*發(fā)送擦除扇區地址的高位*/

17 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);

18 /* 發(fā)送擦除扇區地址的中位 */

19 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);

20 /* 發(fā)送擦除扇區地址的低位 */

21 SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);

22 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

23 SPI_FLASH_CS_HIGH();

24 /* 等待擦除完畢*/

25 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

26 }

這段代碼調用的函數在前面都已講解，只要注意發(fā)送擦除地址時(shí)高位在前即可。調用扇區擦除指令時(shí)注意輸入的地址要對齊到4KB。

FLASH的頁(yè)寫(xiě)入

目標扇區被擦除完畢后，就可以向它寫(xiě)入數據了。與EEPROM類(lèi)似，FLASH芯片也有頁(yè)寫(xiě)入命令，使用頁(yè)寫(xiě)入命令最多可以一次向FLASH傳輸256個(gè)字節的數據，我們把這個(gè)單位為頁(yè)大小。FLASH頁(yè)寫(xiě)入的時(shí)序見(jiàn)圖 2413。

圖 2413 FLASH芯片頁(yè)寫(xiě)入

從時(shí)序圖可知，第1個(gè)字節為"頁(yè)寫(xiě)入指令"編碼，2-4字節為要寫(xiě)入的"地址A"，接著(zhù)的是要寫(xiě)入的內容，最多個(gè)可以發(fā)送256字節數據，這些數據將會(huì )從"地址A"開(kāi)始，按順序寫(xiě)入到FLASH的存儲矩陣。若發(fā)送的數據超出256個(gè)，則會(huì )覆蓋前面發(fā)送的數據。

與擦除指令不一樣，頁(yè)寫(xiě)入指令的地址并不要求按256字節對齊，只要確認目標存儲單元是擦除狀態(tài)即可(即被擦除后沒(méi)有被寫(xiě)入過(guò))。所以，若對"地址x"執行頁(yè)寫(xiě)入指令后，發(fā)送了200個(gè)字節數據后終止通訊，下一次再執行頁(yè)寫(xiě)入指令，從"地址(x+200)"開(kāi)始寫(xiě)入200個(gè)字節也是沒(méi)有問(wèn)題的(小于256均可)。只是在實(shí)際應用中由于基本擦除單元是4KB，一般都以扇區為單位進(jìn)行讀寫(xiě)，想深入了解，可學(xué)習我們的"FLASH文件系統"相關(guān)的例子。

把頁(yè)寫(xiě)入時(shí)序封裝成函數，其實(shí)現見(jiàn)代碼清單 2411。

代碼清單 2411 FLASH的頁(yè)寫(xiě)入

1 /**

2 * @brief 對FLASH按頁(yè)寫(xiě)入數據，調用本函數寫(xiě)入數據前需要先擦除扇區

3 * @param pBuffer，要寫(xiě)入數據的指針

4 * @param WriteAddr，寫(xiě)入地址

5 * @param NumByteToWrite，寫(xiě)入數據長(cháng)度，必須小于等于頁(yè)大小

6 * @retval 無(wú)

7 */

8 void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

9 {

10 /* 發(fā)送FLASH寫(xiě)使能命令 */

11 SPI_FLASH_WriteEnable();

12

13 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

14 SPI_FLASH_CS_LOW();

15 /* 寫(xiě)送寫(xiě)指令*/

16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram);

17 /*發(fā)送寫(xiě)地址的高位*/

18 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);

19 /*發(fā)送寫(xiě)地址的中位*/

20 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);

21 /*發(fā)送寫(xiě)地址的低位*/

22 SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);

23

24 if (NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize)

25 {

26 NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;

27 FLASH_ERROR("SPI_FLASH_PageWrite too large!");

28 }

29

30 /* 寫(xiě)入數據*/

31 while (NumByteToWrite--)

32 {

33 /* 發(fā)送當前要寫(xiě)入的字節數據 */

34 SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);

35 /* 指向下一字節數據 */

36 pBuffer++;

37 }

38

39 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

40 SPI_FLASH_CS_HIGH();

41

42 /* 等待寫(xiě)入完畢*/

43 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();

44 }

這段代碼的內容為：先發(fā)送"寫(xiě)使能"命令，接著(zhù)才開(kāi)始頁(yè)寫(xiě)入時(shí)序，然后發(fā)送指令編碼、地址，再把要寫(xiě)入的數據一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送出去，發(fā)送完后結束通訊，檢查FLASH狀態(tài)寄存器，等待FLASH內部寫(xiě)入結束。

不定量數據寫(xiě)入

應用的時(shí)候我們常常要寫(xiě)入不定量的數據，直接調用"頁(yè)寫(xiě)入"函數并不是特別方便，所以我們在它的基礎上編寫(xiě)了"不定量數據寫(xiě)入"的函數，基實(shí)現見(jiàn)代碼清單 2412。

代碼清單 2412不定量數據寫(xiě)入

1 /**

2 * @brief 對FLASH寫(xiě)入數據，調用本函數寫(xiě)入數據前需要先擦除扇區

3 * @param pBuffer，要寫(xiě)入數據的指針

4 * @param WriteAddr，寫(xiě)入地址

5 * @param NumByteToWrite，寫(xiě)入數據長(cháng)度

6 * @retval 無(wú)

7 */

8 void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

9 {

10 u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;

11

12 /*mod運算求余，若writeAddr是SPI_FLASH_PageSize整數倍，運算結果Addr值為0*/

13 Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;

14

15 /*差count個(gè)數據值，剛好可以對齊到頁(yè)地址*/

16 count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;

17 /*計算出要寫(xiě)多少整數頁(yè)*/

18 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;

19 /*mod運算求余，計算出剩余不滿(mǎn)一頁(yè)的字節數*/

20 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

21

22 /* Addr=0,則WriteAddr 剛好按頁(yè)對齊 aligned */

23 if (Addr == 0)

24 {

25 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */

26 if (NumOfPage == 0)

27 {

28 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);

29 }

30 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */

31 {

32 /*先把整數頁(yè)都寫(xiě)了*/

33 while (NumOfPage--)

34 {

35 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);

36 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;

37 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;

38 }

39

40 /*若有多余的不滿(mǎn)一頁(yè)的數據，把它寫(xiě)完*/

41 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

42 }

43 }

44 /* 若地址與 SPI_FLASH_PageSize 不對齊 */

45 else

46 {

47 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */

48 if (NumOfPage == 0)

49 {

50 /*當前頁(yè)剩余的count個(gè)位置比NumOfSingle小，寫(xiě)不完*/

51 if (NumOfSingle > count)

52 {

53 temp = NumOfSingle - count;

54

55 /*先寫(xiě)滿(mǎn)當前頁(yè)*/

56 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);

57 WriteAddr += count;

58 pBuffer += count;

59

60 /*再寫(xiě)剩余的數據*/

61 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);

62 }

63 else /*當前頁(yè)剩余的count個(gè)位置能寫(xiě)完NumOfSingle個(gè)數據*/

64 {

65 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);

66 }

67 }

68 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */

69 {

70 /*地址不對齊多出的count分開(kāi)處理，不加入這個(gè)運算*/

71 NumByteToWrite -= count;

72 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;

73 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;

74

75 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);

76 WriteAddr += count;

77 pBuffer += count;

78

79 /*把整數頁(yè)都寫(xiě)了*/

80 while (NumOfPage--)

81 {

82 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);

83 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;

84 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;

85 }

86 /*若有多余的不滿(mǎn)一頁(yè)的數據，把它寫(xiě)完*/

87 if (NumOfSingle != 0)

88 {

89 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);

90 }

91 }

92 }

93 }

這段代碼與EEPROM章節中的"快速寫(xiě)入多字節"函數原理是一樣的，運算過(guò)程在此不再贅述。區別是頁(yè)的大小以及實(shí)際數據寫(xiě)入的時(shí)候，使用的是針對FLASH芯片的頁(yè)寫(xiě)入函數，且在實(shí)際調用這個(gè)"不定量數據寫(xiě)入"函數時(shí)，還要注意確保目標扇區處于擦除狀態(tài)。

從FLASH讀取數據

相對于寫(xiě)入，FLASH芯片的數據讀取要簡(jiǎn)單得多，使用讀取指令"Read Data"即可，其指令時(shí)序見(jiàn)圖 2414。

圖 2414 SPI FLASH讀取數據時(shí)序

發(fā)送了指令編碼及要讀的起始地址后，FLASH芯片就會(huì )按地址遞增的方式返回存儲矩陣的內容，讀取的數據量沒(méi)有限制，只要沒(méi)有停止通訊，FLASH芯片就會(huì )一直返回數據。代碼實(shí)現見(jiàn)代碼清單 2413。

代碼清單 2413 從FLASH讀取數據

1 /**

2 * @brief 讀取FLASH數據

3 * @param pBuffer，存儲讀出數據的指針

4 * @param ReadAddr，讀取地址

5 * @param NumByteToRead，讀取數據長(cháng)度

6 * @retval 無(wú)

7 */

8 void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)

9 {

10 /* 選擇FLASH: CS低電平 */

11 SPI_FLASH_CS_LOW();

12

13 /* 發(fā)送讀指令 */

14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData);

15

16 /* 發(fā)送讀地址高位 */

17 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);

18 /* 發(fā)送讀地址中位 */

19 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr& 0xFF00) >> 8);

20 /* 發(fā)送讀地址低位 */

21 SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);

22

23 /* 讀取數據 */

24 while (NumByteToRead--)

25 {

26 /* 讀取一個(gè)字節*/

27 *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

28 /* 指向下一個(gè)字節緩沖區 */

29 pBuffer++;

30 }

31

32 /* 停止信號 FLASH: CS 高電平 */

33 SPI_FLASH_CS_HIGH();

34 }

由于讀取的數據量沒(méi)有限制，所以發(fā)送讀命令后一直接收NumByteToRead個(gè)數據到結束即可。

3.    main函數

最后我們來(lái)編寫(xiě)main函數，進(jìn)行FLASH芯片讀寫(xiě)校驗，見(jiàn)代碼清單 2414。

代碼清單 2414 main函數

1 /* 獲取緩沖區的長(cháng)度 */

2 #define TxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)

3 #define RxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)

4 #define countof(a) (sizeof(a) / sizeof(*(a)))

5 #define BufferSize (countof(Tx_Buffer)-1)

6

7 #define FLASH_WriteAddress 0x00000

8 #define FLASH_ReadAddress FLASH_WriteAddress

9 #define FLASH_SectorToErase FLASH_WriteAddress

10

11

12 /* 發(fā)送緩沖區初始化 */

13 uint8_t Tx_Buffer[] = "感謝您選用秉火stm32開(kāi)發(fā)板\r\n";

14 uint8_t Rx_Buffer[BufferSize];

15

16 //讀取的ID存儲位置

17 __IO uint32_t DeviceID = 0;

18 __IO uint32_t FlashID = 0;

19 __IO TestStatus TransferStatus1 = FAILED;

20

21 // 函數原型聲明

22 void Delay(__IO uint32_t nCount);

23

24 /*

25 * 函數名：main

26 * 描述：主函數

27 * 輸入：無(wú)

28 * 輸出：無(wú)

29 */

30 int main(void)

31 {

32 LED_GPIO_Config();

33 LED_BLUE;

34

35 /* 配置串口1為：115200 8-N-1 */

36 Debug_USART_Config();

37

38 printf("\r\n這是一個(gè)16M串行flash(W25Q128)實(shí)驗 \r\n");

39

40 /* 16M串行flash W25Q128初始化 */

41 SPI_FLASH_Init();

42

43 Delay( 200 );

44

45 /* 獲取 SPI Flash ID */

46 FlashID = SPI_FLASH_ReadID();

47

48 /* 檢驗 SPI Flash ID */

49 if (FlashID == sFLASH_ID)

50 {

51 printf("\r\n檢測到SPI FLASH W25Q128 !\r\n");

52

53 /* 擦除將要寫(xiě)入的 SPI FLASH 扇區，FLASH寫(xiě)入前要先擦除 */

54 SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);

55

56 /* 將發(fā)送緩沖區的數據寫(xiě)到flash中 */

57 SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize);

58 printf("\r\n寫(xiě)入的數據為：\r\n%s", Tx_Buffer);

59

60 /* 將剛剛寫(xiě)入的數據讀出來(lái)放到接收緩沖區中 */

61 SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);

62 printf("\r\n讀出的數據為：\r\n%s", Rx_Buffer);

63

64 /* 檢查寫(xiě)入的數據與讀出的數據是否相等 */

65 TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);

66

67 if ( PASSED == TransferStatus1 )

68 {

69 LED_GREEN;

70 printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)測試成功!\n\r");

71 }

72 else

73 {

74 LED_RED;

75 printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)測試失敗!\n\r");

76 }

77 }// if (FlashID == sFLASH_ID)

78 else

79 {

80 LED_RED;

81 printf("\r\n獲取不到 W25Q128 ID!\n\r");

82 }

83

84 SPI_Flash_PowerDown();

85 while (1);

86 }

函數中初始化了LED、串口、SPI外設，然后讀取FLASH芯片的ID進(jìn)行校驗，若ID校驗通過(guò)則向FLASH的特定地址寫(xiě)入測試數據，然后再從該地址讀取數據，測試讀寫(xiě)是否正常。

注意：

由于實(shí)驗板上的FLASH芯片默認已經(jīng)存儲了特定用途的數據，如擦除了這些數據會(huì )影響到某些程序的運行。所以我們預留了FLASH芯片的"第0扇區(0-4096地址)"專(zhuān)用于本實(shí)驗，如非必要，請勿擦除其它地址的內容。如已擦除，可在配套資料里找到"刷外部FLASH內容"程序，根據其說(shuō)明給FLASH重新寫(xiě)入出廠(chǎng)內容。

24.4.3 下載驗證

用USB線(xiàn)連接開(kāi)發(fā)板"USB TO UART"接口跟電腦，在電腦端打開(kāi)串口調試助手，把編譯好的程序下載到開(kāi)發(fā)板。在串口調試助手可看到FLASH測試的調試信息。

24.5 每課一問(wèn)

1.    在SPI外設初始化部分，MISO引腳可以設置為輸入模式嗎？為什么？實(shí)際測試現象如何？

2.    嘗試使用FLASH芯片存儲int整型變量，float型浮點(diǎn)變量，編寫(xiě)程序寫(xiě)入數據，并讀出校驗。

3.    如果扇區未經(jīng)擦除就寫(xiě)入，會(huì )有什么后果？請做實(shí)驗驗證。

4.    簡(jiǎn)述FLASH存儲器與EEPROM存儲器的區別。