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【ALIENTEK 战舰STM32开发板例程系列连载+教学】第二十八章 SPI实验

2019-08-19 20:42发布

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第二十八章 SPI 实验

本章我们将向大家介绍STM32的SPI功能。在本章中，我们将使用STM32自带的SPI来实现对外部FLASH（W25Q64）的读写，并将结果显示在TFTLCD模块上。本章分为如下几个部分： 28.1 SPI 简介 28.2 硬件设计 28.3 软件设计 28.4 下载验证 

28.1 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，STM32也有SPI接口。 SPI接口一般使用4条线通信： MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。 MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。 SCLK时钟信号，由主设备产生。 CS从设备片选信号，由主设备控制。 SPI主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。 SPI总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。 不同时钟相位下的总线数据传输时序如图28.1.1所示：

图28.1.1 不同时钟相位下的总线传输时序（CPHA=0/1） STM32的SPI功能很强大，SPI时钟最多可以到18Mhz，支持DMA，可以配置为SPI协议或者I2S协议（仅大容量型号支持，战舰STM32开发板是支持的）。 本章，我们将使用STM32的SPI来读取外部SPI FLASH芯片（W25Q64），实现类似上节的功能。这里对SPI我们只简单介绍一下SPI的使用，STM32的SPI详细介绍请参考《STM32参考手册》第457页，23节。然后我们再介绍下SPI FLASH芯片。 这节，我们使用STM32的SPI2的主模式，下面就来看看SPI2部分的设置步骤吧，STM32的主模式配置步骤如下： 1）配置相关引脚的复用功能，使能SPI2时钟。 我们要用SPI2，第一步就要使能SPI2的时钟，SPI2的时钟通过APB1ENR的第14位来设置。其次要设置SPI2的相关引脚为复用输出，这样才会连接到SPI2上否则这些IO口还是默认的状态，也就是标准输入输出口。这里我们使用的是PB13、14、15这3个（SCK.、MISO、MOSI，CS使用软件管理方式），所以设置这三个为复用IO。 2）设置SPI2工作模式。 这一步全部是通过SPI2_CR1来设置，我们设置SPI2为主机模式，设置数据格式为8位，然后通过CPOL和CPHA位来设置SCK时钟极性及采样方式。并设置SPI2的时钟频率（最大18Mhz），以及数据的格式（MSB在前还是LSB在前）。 3）使能SPI2。 这一步通过SPI2_CR1的bit6来设置，以启动SPI2，在启动之后，我们就可以开始SPI通讯了。 SPI2的使用就介绍到这里，接下来介绍一下W25Q64。W25Q64是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，W25Q64的容量为64Mb，该系列还有W25Q80/16/32等。ALIENTEK所选择的W25Q64容量为64Mb，也就是8M字节。 W25Q64将8M的容量分为128个块（Block），每个块大小为64K字节，每个块又分为16个扇区（Sector），每个扇区4K个字节。W25Q64的最少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W25Q64开辟一个至少4K的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上SRAM才能很好的操作。 W25Q64的擦写周期多达10W次，具有20年的数据保存期限，支持电压为2.7~3.6V，W25Q64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80Mhz（双输出时相当于160Mhz，四输出时相当于320M），更多的W25Q64的介绍，请参考W25Q64的DATASHEET。

28.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机的时候先检测W25Q64是否存在，然后在主循环里面检测两个按键，其中1个按键（WK_UP）用来执行写入W25Q64的操作，另外一个按键（KEY1）用来执行读出操作，在TFTLCD模块上显示相关信息。同时用DS0提示程序正在运行。 所要用到的硬件资源如下： 1）  指示灯DS0 2）  WK_UP和KEY1按键 3） TFTLCD模块 4） SPI 5） W25Q64 这里只介绍W25Q64与STM32的连接，板上的W25Q64是直接连在STM32的SPI2上的，连接关系如图28.2.1所示：

图28.2.1 STM32与W25Q64连接电路图

28.3 软件设计

打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个FLASH的文件夹和SPI的文件夹。然后新建一个flash.c和flash.h的文件保存在FLASH文件夹下，新建spi.c和spi.h的文件，保存在SPI文件夹下，并将这两个文件夹加入头文件包含路径。 打开spi.c文件，输入如下代码： #include "spi.h" //SPI口初始化 //这里针是对SPI2的初始化 void SPI2_Init(void) {            RCC->APB2ENR|=1<<3;           //PORTB时钟使能                RCC->APB1ENR|=1<<14;        //SPI2时钟使能        //这里只针对SPI口初始化        GPIOB->CRH&=0X000FFFFF;        GPIOB->CRH|=0XBBB00000;     //PB13/14/15复用                    GPIOB->ODR|=0X7<<13;         //PB13/14/15上拉        SPI2->CR1|=0<<10;                    //全双工模式         SPI2->CR1|=1<<9;                     //软件nss管理        SPI2->CR1|=1<<8;           SPI2->CR1|=1<<2;                     //SPI主机        SPI2->CR1|=0<<11;                    //8bit数据格式             SPI2->CR1|=1<<1;                     //空闲模式下SCK为1 CPOL=1        SPI2->CR1|=1<<0;                     //数据采样从第二个时间边沿开始,CPHA=1         //对SPI2属于APB1的外设.时钟频率最大为36M.        SPI2->CR1|=3<<3;                     //Fsck=Fpclk1/256        SPI2->CR1|=0<<7;                     //MSBfirst          SPI2->CR1|=1<<6;                     //SPI设备使能        SPI2_ReadWriteByte(0xff);//启动传输        }   //SPI2速度设置函数 //SpeedSet:0~7 //SPI速度=fAPB1/2^(SpeedSet+1) //APB1时钟一般为36Mhz void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet) {        SpeedSet&=0X07;                //限制范围        SPI2->CR1&=0XFFC7;        SPI2->CR1|=SpeedSet<<3;   //设置SPI2速度         SPI2->CR1|=1<<6;              //SPI设备使能        } //SPI2 读写一个字节 //TxData:要写入的字节 //返回值:读取到的字节 u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData) {                   u16 retry=0;                               while((SPI2->SR&1<<1)==0)             //等待发送区空            {               retry++;               if(retry>=0XFFFE)return 0;        //超时退出        }                            SPI2->DR=TxData;                         //发送一个byte        retry=0;        while((SPI2->SR&1<<0)==0)            //等待接收完一个byte         {               retry++;               if(retry>=0XFFFE)return 0;  //超时退出        }                                                          return SPI2->DR;                       //返回收到的数据                           } 此部分代码主要初始化SPI，这里我们选择的是SPI2，所以在SPI2_Init函数里面，其相关的操作都是针对SPI2的，其初始化步骤和我们上面介绍的一样。在初始化之后，我们就可以开始使用SPI2了，在SPI2_Init函数里面，把SPI2的频率设置成了最低（36Mhz，256分频）。在外部函数里面，我们通过SPI2_SetSpeed来设置SPI2的速度，而我们的数据发送和接收则是通过SPI2_ReadWriteByte函数来实现的。 保存spi.c，并把该文件加入HARDWARE组下面，然后我们打开spi.h在里面输入如下代码： #ifndef __SPI_H #define __SPI_H #include "sys.h" // SPI总线速度设置 #define SPI_SPEED_2              0 #define SPI_SPEED_4              1 #define SPI_SPEED_8              2 #define SPI_SPEED_16             3 #define SPI_SPEED_32              4 #define SPI_SPEED_64              5 #define SPI_SPEED_128            6 #define SPI_SPEED_256            7 void SPI2_Init(void);                       //初始化SPI2口 void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet);     //设置SPI2速度   u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData);   //SPI2总线读写一个字节 #endif 此部分代码我们就不多介绍了，保存spi.h，然后我们打开flash.c，在里面编写与W25Q64操作相关的代码，由于篇幅所限，详细代码，这里就不贴出了。我们仅介绍几个重要的函数，首先是SPI_Flash_Read函数，该函数用于从W25Q64的指定地址读出指定长度的数据。其代码如下：            //读取SPI FLASH  //在指定地址开始读取指定长度的数据 //pBuffer:数据存储区 //ReadAddr:开始读取的地址(24bit) //NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535) void SPI_Flash_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   {       u16 i;                                                                               SPI_FLASH_CS=0;                       //使能器件        SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadData);        //发送读取命令       SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));         //发送24bit地址        SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));       SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);       for(i=0;i<NumByteToRead;i++)        {         pBuffer=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);   //循环读数      }        SPI_FLASH_CS=1;                                            } 由于W25Q64支持以任意地址（但是不能超过W25Q64的地址范围）开始读取数据，所以，这个代码相对来说就比较简单了，在发送24位地址之后，程序就可以开始循环读数据了，其地址会自动增加的，不过要注意，不能读的数据超过了W25Q64的地址范围哦！否则读出来的数据，就不是你想要的数据了。 有读的函数，当然就有写的函数了，接下来，我们介绍SPI_Flash_Write这个函数，该函数的作用与SPI_Flash_Read的作用类似，不过是用来写数据到W25Q64里面的，其代码如下： //写SPI FLASH  //在指定地址开始写入指定长度的数据 //该函数带擦除操作! //pBuffer:数据存储区 //WriteAddr:开始写入的地址(24bit)                                       //NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)   u8 SPI_FLASH_BUFFER[4096];        void SPI_Flash_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   {        u32 secpos;        u16 secoff;        u16 secremain;                u16 i;           u8 * SPI_FLASH_BUF;              SPI_FLASH_BUF=SPI_FLASH_BUFFER;            secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址 0~511 for w25x16        secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移        secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小         //printf("ad:%X,nb:%X ",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用       if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节        while(1)        {                   SPI_Flash_Read(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容               for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据               {                      if(SPI_FLASH_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除                         }               if(i<secremain)//需要擦除               {                      SPI_Flash_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区                      for(i=0;i<secremain;i++)          //复制                      {                             SPI_FLASH_BUF[i+secoff]=pBuffer;                            }                      SPI_Flash_Write_NoCheck(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096); //写入整个扇区                }else SPI_Flash_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain); //写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间.                 if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了               else//写入未结束               {                      secpos++;//扇区地址增1                      secoff=0;//偏移位置为0                    pBuffer+=secremain;  //指针偏移                      WriteAddr+=secremain;//写地址偏移                         NumByteToWrite-=secremain;                           //字节数递减                      if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;        //下一个扇区还是写不完                      else secremain=NumByteToWrite;                      //下一个扇区可以写完了               }            };    } 该函数可以在W25Q64的任意地址开始写入任意长度（必须不超过W25Q64的容量）的数据。我们这里简单介绍一下思路：先获得首地址（WriteAddr）所在的扇区，并计算在扇区内的偏移，然后判断要写入的数据长度是否超过本扇区所剩下的长度，如果不超过，再先看看是否要擦除，如果不要，则直接写入数据即可，如果要则读出整个扇区，在偏移处开始写入指定长度的数据，然后擦除这个扇区，再一次性写入。当所需要写入的数据长度超过一个扇区的长度的时候，我们先按照前面的步骤把扇区剩余部分写完，再在新扇区内执行同样的操作，如此循环，直到写入结束。 其他的代码就比较简单了，我们这里不介绍了。保存falsh.c，然后加入到HARDWARE组下面，再打开flahs.h，在该文件里面输入如下代码： #ifndef __FLASH_H #define __FLASH_H                       #include "sys.h" //W25X系列/Q系列芯片列表        //W25Q80 ID  0XEF13 //W25Q16 ID  0XEF14 //W25Q32 ID  0XEF15 //W25Q32 ID  0XEF16       #define W25Q80   0XEF13        #define W25Q16   0XEF14 #define W25Q32   0XEF15 #define W25Q64   0XEF16 extern u16 SPI_FLASH_TYPE;           //定义我们使用的flash芯片型号                 #define    SPI_FLASH_CS PBout(12)  //选中FLASH      //指令表 #define W25X_WriteEnable                0x06 #define W25X_WriteDisable               0x04 #define W25X_ReadStatusReg             0x05 #define W25X_WriteStatusReg            0x01 #define W25X_ReadData                    0x03 #define W25X_FastReadData              0x0B #define W25X_FastReadDual              0x3B #define W25X_PageProgram               0x02 #define W25X_BlockErase                  0xD8 #define W25X_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 void SPI_Flash_Init(void); u16  SPI_Flash_ReadID(void);                           //读取FLASH ID u8    SPI_Flash_ReadSR(void);                  //读取状态寄存器 void SPI_FLASH_Write_SR(u8 sr);                 //写状态寄存器 void SPI_FLASH_Write_Enable(void);             //写使能 void SPI_FLASH_Write_Disable(void);             //写保护 void SPI_Flash_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite); void SPI_Flash_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead);      //读取flash void SPI_Flash_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);      //写入flash void SPI_Flash_Erase_Chip(void);                 //整片擦除 void SPI_Flash_Erase_Sector(u32 Dst_Addr);     //扇区擦除 void SPI_Flash_Wait_Busy(void);              //等待空闲 void SPI_Flash_PowerDown(void);              //进入掉电模式 void SPI_Flash_WAKEUP(void);                     //唤醒 #endif 这里面就定义了一些与W25Q64操作相关的命令（部分省略了），这些命令在W25Q64的数据手册上都有详细的介绍，感兴趣的读者可以参考该数据手册，其他的就没啥好说的了。保存此部分代码。最后，我们在test.c里面，修改main函数如下： //要写入到W25Q64的字符串数组 const u8 TEXT_Buffer[]={"WarShipSTM32 SPI TEST"}; #define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)      int main(void) {                   u8 key;        u16 i=0;        u8 datatemp[SIZE];        u32 FLASH_SIZE;       Stm32_Clock_Init(9);    //系统时钟设置        uart_init(72,9600);      //串口初始化为9600        delay_init(72);                  //延时初始化        LED_Init();                 //初始化与LED连接的硬件接口        LCD_Init();                  //初始化LCD        usmart_dev.init(72);      //初始化USMART               KEY_Init();                  //按键初始化                     SPI_Flash_Init();                //SPI FLASH 初始化             POINT_COLOR=RED;//设置字体为红 {MOD}        LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"WarShip STM32");           LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SPI TEST");              LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");        LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2012/9/9");              LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"WKUP:Write  KEY1:Read"); //显示提示信息                   while(SPI_Flash_ReadID()!=W25Q64)                                                 //检测不到W25Q64        {               LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"25Q64 Check Failed!");               delay_ms(500);               LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check!      ");               delay_ms(500);               LED0=!LED0;//DS0闪烁        }        LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"25Q64 Ready!");        FLASH_SIZE=8*1024*1024;       //FLASH 大小为8M字节       POINT_COLOR=BLUE;              //设置字体为蓝 {MOD}           while(1)        {               key=KEY_Scan(0);               if(key==KEY_UP)//KEY_UP按下,写入W25Q64               {                      LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏                        LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Write W25Q64....");                      SPI_Flash_Write((u8*)TEXT_Buffer,FLASH_SIZE-100,SIZE);              //从倒数第100个地址处开始,写入SIZE长度的数据                      LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"W25Q64 Write Finished!");//提示传送完成               }               if(key==KEY_DOWN)//KEY_DOWN按下,读取字符串并显示               {                     LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Read W25Q64.... ");                      SPI_Flash_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);                      //从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节                      LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"The Data Readed Is:  ");//提示传送完成                      LCD_ShowString(60,190,200,16,16,datatemp);//显示读到的字符串               }               i++;               delay_ms(10);               if(i==20)               {                      LED0=!LED0;//提示系统正在运行                          i=0;               }                      } } 这部分代码和IIC实验那部分代码大同小异，我们就不多说了，实现的功能就和IIC差不多，不过此次写入和读出的是SPI FLASH，而不是EEPROM。

28.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32开发板上，通过先按WK_UP按键写入数据，然后按KEY1读取数据，得到如图28.4.1所示：

图28.4.1 SPI实验程序运行效果图 伴随DS0的不停闪烁，提示程序在运行。程序在开机的时候会检测W25Q64是否存在，如果不存在则会在TFTLCD模块上显示错误信息，同时DS0慢闪。大家可以通过跳线帽把PB12和PB13短接就可以看到报错了。  
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26条回答
wsx05
1楼-- · 2019-08-22 06:35
回复【19楼】正点原子:
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原子哥我想问下怎么从一个给定的起始地址还有一个结束地址擦除呢？！
正点原子
2楼-- · 2019-08-22 10:07
回复【20楼】wsx05:
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不要这么做。
以扇区为单位擦除的
无法以字节为单位擦除。
chengong510
3楼-- · 2019-08-22 14:57
你好，原子哥：

问题：        
       GPIOB->CRH|=0XBBB00000;     //PB13/14/15复用            
     GPIOB->ODR|=0X7<<13;         //PB13/14/15上拉
     B13/14/15已经设置为了复用推挽输出，规格书上显示上拉/下拉禁止了，那你这里将PB13/14/15设为上拉，是什么意思？

     谢谢！！
正点原子
4楼-- · 2019-08-22 20:01
 精彩回答 2  元偷偷看……
记忆
5楼-- · 2019-08-22 23:52
原子哥，我使用的是你的代码，为什么我的只可以读，不能写入呢！
记忆
6楼-- · 2019-08-23 01:53
回复【23楼】正点原子:
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原子哥，我使用的是你的代码，为什么我的只可以读，不能写入呢！
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