SPI总线

SPI 的全称是"Serial Peripheral Interface"，意为串行外围接口,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，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如 STM32 系列芯片。下面我们看下 SPI 内部结构简易图，如图 39.1.1.1 所示：

SPI 通讯设备之间的常用连接方式见图 25-1。

　　SPI 通讯使用 3 条总线及片选线，3 条总线分别为 SCK、MOSI、MISO，片选线为SS，它们的作用介绍如下：

(1) SS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS，以下用 NSS 表示。当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以SPI 通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。 

(2) SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。 

(3) MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

(4) MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线

读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

与 I2C 的类似，SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

1. SPI 基本通讯过程

　　先看看 SPI 通讯的通讯时序，见图 25-2。

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。以上通讯流程中包含的各个信号分解如下： 

2. 通讯的起始和停止信号

　　在图 25-2 中的标号1处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号6处，NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。 

3. 数据有效性

　　SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用图 25-2 中的 MSB 先行模式。观察图中的2、3、4、5标号处，MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及 MISO为下一次表示数据做准备。SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。 

4. CPOL/CPHA 及通讯模式

　　上面讲述的图 25-2 中的时序只是 SPI 中的其中一种通讯模式，SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。见图 25-3 及图 25-4。

　　我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先，根据 SCK 在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK 信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。无论 CPOL=0 还是=1，因为我们配置的时钟相位 CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1 的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。

 

　　由 CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，见表 25-1，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。

STM32 的 SPI 特性及架构

　　与 I2C 外设一样，STM32 芯片也集成了专门用于 SPI 协议通讯的外设。 

STM32 的 SPI 外设简介

　　STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2(STM32F103 型号的芯片默认 fpclk1为 72MHz，fpclk2为 36MHz)，完全支持 SPI 协议的 4 种模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。 

STM32 的 SPI 架构剖析

1.通讯引脚

　　SPI 的所有硬件架构都从图 25-5 中左侧 MOSI、MISO、SCK 及 NSS 线展开的。STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 25-2。

　　其中 SPI1 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 36Mbtis/s，SPI2、SPI3 是 APB1 上的设备，最高通信速率为 18Mbits/s。除了通讯速率，在其它功能上没有差异。其中 SPI3 用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是 IO 口，如果想使用 SPI3接口，则程序上必须先禁用掉这几个 IO 口的下载功能。一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个 IO 口是专门用于下载和调试程序，不会复用为 SPI3。 

2. 时钟控制逻辑

　　SCK 线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2]位控制，该位是对 fpclk时钟的分频因子，对 fpclk的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率，计算方法见表 25-3。

　　其中的 fpclk频率是指 SPI 所在的 APB 总线频率，APB1 为 fpclk1，APB2 为 fpckl2。通过配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成前面分析的 4 种 SPI 模式。

3. 数据控制逻辑

　　SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及 MISO、MOSI 线。

当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；

当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。

通过写 SPI的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送 F 缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

4. 整体控制逻辑

　　整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。

　　在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制NSS 信号线。

　　实际应用中，我们一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用普通的 GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

STM32 使用 SPI 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。 

图 25-6 中的是“主模式”流程，即 STM32 作为 SPI 通讯的主机端时的数据收发过程。

主模式收发流程及事件说明如下：

(1) 控制 NSS 信号线，产生起始信号(图中没有画出)；

(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；

(3) 通讯开始，SCK 时钟开始运行。MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

(5) 等待到“TXE 标志位”为 1 时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1 时，通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如我们使能了 TXE 或 RXNE 中断，TXE 或 RXNE 置 1 时会产生 SPI 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 SPI 中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用 DMA 方式来收发“数据寄存器 DR”中的数据。 

跟其它外设一样，STM32 标准库提供了 SPI 初始化结构体及初始化函数来配置 SPI 外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f4xx_spi.h”及“stm32f4xx_spi.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对 SPI 外设运用自如了，代码如下。

这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在 STM32 标准库中定义的宏：

(1) SPI_Direction

本成员设置 SPI 的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

(2) SPI_Mode

本成员设置 SPI 工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave )，这两个模式的最大区别为 SPI 的 SCK 信号线的时序，SCK 的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，STM32 的 SPI 外设将接受外来的 SCK 信号。

(3) SPI_DataSize

本成员可以选择 SPI 通讯的数据帧大小是为 8 位(SPI_DataSize_8b)还是 16 位(SPI_DataSize_16b)。

(4) SPI_CPOL 和 SPI_CPHA

这两个成员配置 SPI 的时钟极性 CPOL 和时钟相位 CPHA，这两个配置影响到 SPI 的通讯模式，关于 CPOL 和 CPHA 的说明参考前面“通讯模式”小节。

时钟极性 CPOL 成员，可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low )。

时钟相位 CPHA 则可以设置为 SPI_CPHA_1Edge(在 SCK 的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge (在 SCK 的偶数边沿采集数据) 。 

(5) SPI_NSS

本成员配置 NSS 引脚的使用模式，可以选择为硬件模式(SPI_NSS_Hard )与软件模式(SPI_NSS_Soft )，在硬件模式中的 SPI 片选信号由 SPI 硬件自动产生，而软件模式则需要我们亲自把相应的 GPIO 端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。

(6) SPI_BaudRatePrescaler

本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为 SPI 的 SCK 信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为 fpclk 的 2、4、6、8、16、32、64、128、256 分频。

(7) SPI_FirstBit

所有串行的通讯协议都会有 MSB 先行(高位数据在前)还是 LSB 先行(低位数据在前)的问题，而 STM32 的 SPI 模块可以通过这个结构体成员，对这个特性编程控制。

(8) SPI_CRCPolynomial

这是 SPI 的 CRC 校验中的多项式，若我们使用 CRC 校验时，就使用这个成员的参数(多项式)，来计算 CRC 的值。

　　配置完这些结构体成员后，我们要调用 SPI_Init 函数把这些参数写入到寄存器中，实现 SPI 的初始化，然后调用 SPI_Cmd 来使能 SPI 外设。

（1）使能 SPI 及对应 GPIO 端口时钟并配置引脚的复用功能

　　要使用 SPI 就必须使能它的时钟，前面介绍框图时，我们知道 SPI1 是挂接在 APB2 总线上，而 SPI2 和 SPI3 挂接在 APB1 总线上。而且 SPI 总线接口对应不同的 STM32 引脚，所以还需使能对应引脚的端口时钟，同时配置为复用功能。

（2）初始化 SPI，包括数据帧长度、传输模式、MSB 和 LSB 顺序等

（3）使能（开启）SPI

（4）SPI 数据传输

　　通过上面几个步骤的配置，SPI 已经可以开始通信了，在通信的过程中肯定会有数据的发送和接收，固件库也提供了 SPI 的发送和接收函数。

SPI 发送数据函数原型为：

　　void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);这个函数很好理解，往 SPIx 数据寄存器写入数据 Data，从而实现发送。

SPI 接收数据函数原型为：

　　uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);此函数非常简单，从 SPIx 数据寄存器中读取接收到的数据。

（5）查看 SPI 传输状态

　　在 SPI 传输过程中，我们经常要判断数据是否传输完成，发送区是否为空等状态，这是通过函数 SPI_I2S_GetFlagStatus 实现的，此函数原型为：

FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);

此函数非常简单，第二个参数是用来选择 SPI 传输过程中判断的标志，对应的标志可在 stm32f10x_spi.h 文件中查找到，使用较多的是发送完成标志（SPI_I2S_FLAG_TXE）和接收完成标志（SPI_I2S_FLAG_RXNE）。

判断发送是否完成的方法是：

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE);

将以上几步配置好后，我们就可以使用 STM32F1 的 SPI 和外部 FLASH（EN25QXX）通信了。

1 #ifndef _spi_H
2 #define _spi_H
3
4 #include "system.h"
5
6 void SPI1_Init(void); //初始化SPI1口
7 void SPI1_SetSpeed(u8 SpeedSet); //设置SPI1速度
8 u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData);//SPI1总线读写一个字节
9
10 //void SPI2_Init(void); //初始化SPI2口
11 //void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet); //设置SPI2速度
12 //u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData);//SPI2总线读写一个字节
13
14 #endif

1 #include "spi.h"
2
3 //以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式
4 //SPI口初始化
5 //这里针是对SPI1的初始化
6 void SPI1_Init(void)
7 {
8 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
9 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
10
11 /* SPI的IO口和SPI外设打开时钟 */
12 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
13 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
14
15 /* SPI的IO口设置 */
16 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; 17 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出 18 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
19 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
20
21 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
22 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置SPI工作模式:设置为主SPI
23 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
24 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步时钟的空闲状态为高电平
25 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
26 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
27 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
28 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
29 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值计算的多项式
30 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
31
32 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设
33
34 SPI1_ReadWriteByte(0xff);//启动传输
35 }
36
37 //SPI1速度设置函数
38 //SPI速度=fAPB2/分频系数
39 //@ref SPI_BaudRate_Prescaler:SPI_BaudRatePrescaler_2~SPI_BaudRatePrescaler_256
40 //fAPB2时钟一般为84Mhz：
41 void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
42 {
43 SPI1->CR1&=0XFFC7;//位3-5清零，用来设置波特率
44 SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置SPI1速度
45 SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //使能SPI1
46 }
47
48 //SPI1 读写一个字节
49 //TxData:要写入的字节
50 //返回值:读取到的字节
51 u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
52 {
53
54 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);//等待发送区空
55
56 SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设SPIx发送一个byte 数据
57
58 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); //等待接收完一个byte
59
60 return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过SPIx最近接收的数据
61
62 }

上述程序中的一个奇怪的地方

在复用SPI总线时，必须先设置总线端口。读取其他ARM芯片（如NXP）一般很容易看出芯片的设置是否正确。不过对于STM32就容易让人迷惑了。就像上述程序中，我们在使用SPI总线进行通信时，可以这样设置：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;     // 复用的推挽输出

其他端口如时钟端口以及MOSI端口都是stm32向外输出，引脚设置成推挽输出没问题， 但是大家对MISO端口的设置就会产生疑惑了，MISO不是应该设置成为输入端口（GPIO_Mode_IN_FLOATING）才行的吗？

答题是肯定的，对于STM32的这一类管脚来说（如USART_RX）即可以设置成为输入模式，也可以设置成为复用的推挽输出。其工作都是正常的，不过建议大家还是设置成为输入端口的好，容易理解。

具体产生这一问题的原因是：从功能上来说，MISO应该配置为输入模式才对，但为什么也可以配置为GPIO_Mode_AF_PP？请看下面的GPIO复用功能配置框图。当一个GPIO端口配置为GPIO_Mode_AF_PP是，这个端口的内部结构框图如下：

　　图中可以看到，片上外设的复用功能输出信号会连接到输出控制电路，然后在端口上产生输出信号。但是在芯片内部，MISO是SPI模块的输入引脚，而不是输出引脚，也就是说图中的"复用功能输出信号"根本不存在（MISO不会产生输出信号），因此"输出控制电路"不能对外产生输出信号。

　　而另一方面看，即使在GPIO_Mode_AF_PP模式下，复用功能输入信号却与外部引脚之间相互连接，既MISO得到了外部信号的电平，实现了输入的功能（可以4-5-6-7路线输入数据，复用的情况下就是4-5-复用功能路线）。

FLASH介绍

　　搞定 SPI 的基本收发单元后，还需要了解如何对 FLASH 芯片进行读写。FLASH 芯片自定义了很多指令，我们通过控制 STM32 利用 SPI 总线向 FLASH 芯片发送指令，FLASH芯片收到后就会执行相应的操作。而这些指令，对主机端(STM32)来说，只是它遵守最基本的 SPI 通讯协议发送出的数据，但在设备端(FLASH 芯片)把这些数据解释成不同的意义，所以才成为指令。查看FLASH 芯片的数据手册《W25Q64》，可了解各种它定义的各种指令的功能及指令格式，见表 25-4。 

 

　　该表中的第一列为指令名，第二列为指令编码，第三至第 N 列的具体内容根据指令的不同而有不同的含义。其中带括号的字节参数，方向为 FLASH 向主机传输，即命令响应，不带括号的则为主机向 FLASH 传输。表中“A0~A23”指 FLASH 芯片内部存储器组织的地址；“M0~M7”为厂商号（MANUFACTURER ID）；“ID0-ID15”为 FLASH 芯片的ID；“dummy”指该处可为任意数据；“D0~D7”为 FLASH 内部存储矩阵的内容。 

　　在 FLSAH 芯片内部，存储有固定的厂商编号(M7-M0)和不同类型 FLASH 芯片独有的编号(ID15-ID0)，见表 25-5。

　　通过指令表中的读 ID 指令“JEDEC ID”可以获取这两个编号，该指令编码为“9Fh”，其中“9F h”是指 16 进制数“9F” (相当于 C 语言中的 0x9F)。紧跟指令编码的三个字节分别为 FLASH 芯片输出的“(M7-M0)”、“(ID15-ID8)”及“(ID7-ID0)” 。此处我们以该指令为例，配合其指令时序图进行讲解，见图 25-8。 

　　主机首先通过 MOSI 线向 FLASH 芯片发送第一个字节数据为“9F h”，当 FLASH 芯片收到该数据后，它会解读成主机向它发送了“JEDEC 指令”，然后它就作出该命令的响应：通过 MISO 线把它的厂商 ID(M7-M0)及芯片类型(ID15-0)发送给主机，主机接收到指令响应后可进行校验。常见的应用是主机端通过读取设备 ID 来测试硬件是否连接正常，或用于识别设备。对于 FLASH 芯片的其它指令，都是类似的，只是有的指令包含多个字节，或者响应包含更多的数据。

　　实际上，编写设备驱动都是有一定的规律可循的。首先我们要确定设备使用的是什么通讯协议。如上一章的 EEPROM 使用的是 I2C，本章的 FLASH 使用的是 SPI。那么我们就先根据它的通讯协议，选择好 STM32 的硬件模块，并进行相应的 I2C 或 SPI 模块初始化。接着，我们要了解目标设备的相关指令，因为不同的设备，都会有相应的不同的指令。如EEPROM 中会把第一个数据解释为内部存储矩阵的地址(实质就是指令)。而 FLASH 则定义了更多的指令，有写指令，读指令，读 ID 指令等等。最后，我们根据这些指令的格式要求，使用通讯协议向设备发送指令，达到控制设备的目标

为了方便使用，我们把 FLASH 芯片的常用指令编码使用宏来封装起来，后面需要发送指令编码的时候我们直接使用这些宏即可。

1 //指令表
2 #define EN25X_WriteEnable 0x06
3 #define EN25X_WriteDisable 0x04
4 #define EN25X_ReadStatusReg 0x05
5 #define EN25X_WriteStatusReg 0x01
6 #define EN25X_ReadData 0x03
7 #define EN25X_FastReadData 0x0B
8 #define EN25X_FastReadDual 0x3B
9 #define EN25X_PageProgram 0x02
10 #define EN25X_BlockErase 0xD8
11 #define EN25X_SectorErase 0x20
12 #define EN25X_ChipErase 0xC7
13 #define EN25X_PowerDown 0xB9
14 #define EN25X_ReleasePowerDown 0xAB
15 #define EN25X_DeviceID 0xAB
16 #define EN25X_ManufactDeviceID 0x90
17 #define EN25X_JedecDeviceID 0x9F

根据“JEDEC”指令的时序，我们把读取 FLASH ID 的过程编写成一个函数。

1 //读取芯片ID
2 //返回值如下:
3 //0XEF13,表示芯片型号为EN25Q80
4 //0XEF14,表示芯片型号为EN25Q16
5 //0XEF15,表示芯片型号为EN25Q32
6 //0XEF16,表示芯片型号为EN25Q64
7 //0XEF17,表示芯片型号为EN25Q128
8 u16 EN25QXX_ReadID(void)
9 {
10 u16 Temp = 0;
11 EN25QXX_CS=0;
12 SPI2_ReadWriteByte(0x9F);//发送读取ID命令
13 SPI2_ReadWriteByte(0x00);
14 SPI2_ReadWriteByte(0x00);
15 SPI2_ReadWriteByte(0x00);
16 Temp|=SPI2_ReadWriteByte(0xFF)<<8;
17 Temp|=SPI2_ReadWriteByte(0xFF);
18 //EN25QXX_CS=1;
19 return Temp;
20 }

　　这段代码利用控制 CS 引脚电平的宏“SPI_FLASH_CS_LOW/HIGH”以及前面编写的单字节收发函数 SPI_FLASH_SendByte，很清晰地实现了“JEDEC ID”指令的时序：发送一个字节的指令编码“W25X_JedecDeviceID”，然后读取 3 个字节，获取 FLASH 芯片对该指令的响应，最后把读取到的这 3 个数据合并到一个变量 Temp 中，然后作为函数返回值，把该返回值与我们定义的宏“sFLASH_ID”对比，即可知道 FLASH 芯片是否正常。

在向 FLASH 芯片存储矩阵写入数据前，首先要使能写操作，通过“Write Enable”命令即可写使能。

1 //EN25QXX写使能
2 //将WEL置位
3 void EN25QXX_Write_Enable(void)
4 {
5 EN25QXX_CS=0; //使能器件
6 SPI2_ReadWriteByte(EN25X_WriteEnable); //发送写使能
7 EN25QXX_CS=1; //取消片选
8 }

与 EEPROM 一样，由于 FLASH 芯片向内部存储矩阵写入数据需要消耗一定的时间，并不是在总线通讯结束的一瞬间完成的，所以在写操作后需要确认 FLASH 芯片“空闲”时才能进行再次写入。为了表示自己的工作状态，FLASH 芯片定义了一个状态寄存器，见图 25-9

我们只关注这个状态寄存器的第 0 位“BUSY”，当这个位为“1”时，表明 FLASH芯片处于忙碌状态，它可能正在对内部的存储矩阵进行“擦除”或“数据写入”的操作。利用指令表中的“Read Status Register”指令可以获取 FLASH 芯片状态寄存器的内容，其时序见图 25-10。 

　　只要向 FLASH 芯片发送了读状态寄存器的指令，FLASH 芯片就会持续向主机返回最新的状态寄存器内容，直到收到 SPI 通讯的停止信号。据此我们编写了具有等待 FLASH 芯片写入结束功能的函数，见下面代码。 

1 //读取EN25QXX的状态寄存器
2 //BIT7 6 5 4 3 2 1 0
3 //SPR RV TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
4 //SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用
5 //TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
6 //WEL:写使能锁定
7 //BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)
8 //默认:0x00
9 u8 EN25QXX_ReadSR(void)
10 {
11 u8 byte=0;
12 EN25QXX_CS=0; //使能器件
13 SPI2_ReadWriteByte(EN25X_ReadStatusReg); //发送读取状态寄存器命令
14 byte=SPI2_ReadWriteByte(0Xff); //读取一个字节
15 EN25QXX_CS=1; //取消片选
16 return byte;
17 }

1 //等待空闲
2 void EN25QXX_Wait_Busy(void)
3 {
4 while((EN25QXX_ReadSR()&0x01)==0x01); // 等待BUSY位清空
5 }

由于 FLASH 存储器的特性决定了它只能把原来为“1”的数据位改写成“0”，而原来为“0”的数据位不能直接改写为“1”。所以这里涉及到数据“擦除”的概念，在写入前，必须要对目标存储矩阵进行擦除操作，把矩阵中的数据位擦除为“1”，在数据写入的时候，如果要存储数据“1”，那就不修改存储矩阵 ，在要存储数据“0”时，才更改该位。通常，对存储矩阵擦除的基本操作单位都是多个字节进行，如本例子中的 FLASH 芯

片支持“扇区擦除”、“块擦除”以及“整片擦除”，见表 25-6。 

FLASH 芯片的最小擦除单位为扇区(Sector)，而一个块(Block)包含 16 个扇区，其内部存储矩阵分布见图 25-11。

使用扇区擦除指令“Sector Erase”可控制 FLASH 芯片开始擦写，其指令时序见图25-14。 

扇区擦除指令的第一个字节为指令编码，紧接着发送的 3 个字节用于表示要擦除的存储矩阵地址。要注意的是在扇区擦除指令前，还需要先发送“写使能”指令，发送扇区擦除指令后，通过读取寄存器状态等待扇区擦除操作完毕，代码如下。

1 //擦除一个扇区
2 //Dst_Addr:扇区地址 根据实际容量设置
3 //擦除一个山区的最少时间:150ms
4 void EN25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)
5 {
6 //监视falsh擦除情况,测试用
7 printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);
8 Dst_Addr*=4096;
9 EN25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
10 EN25QXX_Wait_Busy();
11 EN25QXX_CS=0; //使能器件
12 SPI2_ReadWriteByte(EN25X_SectorErase); //发送扇区擦除指令
13 SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16)); //发送24bit地址
14 SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));
15 SPI2_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);
16 EN25QXX_CS=1; //取消片选
17 EN25QXX_Wait_Busy(); //等待擦除完成
18 }

这段代码调用的函数在前面都已讲解，只要注意发送擦除地址时高位在前即可。调用扇区擦除指令时注意输入的地址要对齐到 4KB。

目标扇区被擦除完毕后，就可以向它写入数据了。与 EEPROM 类似，FLASH 芯片也有页写入命令，使用页写入命令最多可以一次向 FLASH 传输 256 个字节的数据，我们把这个单位为页大小。FLASH 页写入的时序见图 25-13。 

　　从时序图可知，第 1 个字节为“页写入指令”编码，2-4 字节为要写入的“地址 A”，接着的是要写入的内容，最多个可以发送 256 字节数据，这些数据将会从“地址 A”开始，按顺序写入到 FLASH 的存储矩阵。若发送的数据超出 256 个，则会覆盖前面发送的数据。与擦除指令不一样，页写入指令的地址并不要求按 256 字节对齐，只要确认目标存储单元是擦除状态即可(即被擦除后没有被写入过)。所以，若对“地址 x”执行页写入指令后，发送了 200 个字节数据后终止通讯，下一次再执行页写入指令，从“地址(x+200)”开始写入 200 个字节也是没有问题的(小于 256 均可)。 只是在实际应用中由于基本擦除单元是4KB，一般都以扇区为单位进行读写，想深入了解，可学习我们的“FLASH 文件系统”相关的例子。把页写入时序封装成函数，其实现见下列代码。 

1 //写SPI FLASH
2 //在指定地址开始写入指定长度的数据
3 //该函数带擦除操作!
4 //pBuffer:数据存储区
5 //WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
6 //NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
7 u8 EN25QXX_BUFFER[4096];
8 void EN25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
9 {
10 u32 secpos;
11 u16 secoff;
12 u16 secremain;
13 u16 i;
14 u8 * EN25QXX_BUF;
15 EN25QXX_BUF=EN25QXX_BUFFER;
16 secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址
17 secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移
18 secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小
19 //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
20 if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节 21 while(1) 22 { 23 EN25QXX_Read(EN25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容 24 for(i=0;i4096)secremain=4096; //下一个扇区还是写不完
48 else secremain=NumByteToWrite; //下一个扇区可以写完了
49 }
50 }
51 }

　　这段代码的内容为：先发送“写使能”命令，接着才开始页写入时序，然后发送指令编码、地址，再把要写入的数据一个接一个地发送出去，发送完后结束通讯，检查 FLASH状态寄存器，等待 FLASH 内部写入结束。

相对于写入，FLASH 芯片的数据读取要简单得多，使用读取指令“Read Data”即可，其指令时序见图 25-14。

 

发送了指令编码及要读的起始地址后，FLASH 芯片就会按地址递增的方式返回存储矩阵的内容，读取的数据量没有限制，只要没有停止通讯，FLASH 芯片就会一直返回数据。代码如下。

1 //读取SPI FLASH
2 //在指定地址开始读取指定长度的数据
3 //pBuffer:数据存储区
4 //ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
5 //NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
6 void EN25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)
7 {
8 u16 i;
9 EN25QXX_CS=0; //使能器件
10 SPI2_ReadWriteByte(EN25X_ReadData); //发送读取命令
11 SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址
12 SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));
13 SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);
14 for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
15 {
16 pBuffer[i]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
17 }
18 EN25QXX_CS=1;
19 }

由于读取的数据量没有限制，所以发送读命令后一直接收 NumByteToRead 个数据到结束即可。 

最后我们来编写 main 函数，进行 FLASH 芯片读写校验，代码如下。

1 #include "system.h"
2 #include "SysTick.h"
3 #include "led.h"
4 #include "usart.h"
5 #include "tftlcd.h"
6 #include "key.h"
7 #include "spi.h"
8 #include "flash.h"
9
10
11 //要写入到25Q64的字符串数组
12 const u8 text_buf[]="www.prechin.net";
13 #define TEXT_LEN sizeof(text_buf)
14 //u16 key3;
15
16 int main()
17 {
18 u8 i=0;
19 u8 key;
20 u8 buf[30];
21
22 SysTick_Init(72);
23 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //中断优先级分组 分2组
24 LED_Init();
25 USART1_Init(9600);
26 TFTLCD_Init(); //LCD初始化
27 KEY_Init();
28 EN25QXX_Init();
29
30 FRONT_COLOR=BLACK;
31 LCD_ShowString(10,10,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"PRECHIN STM32F1");
32 LCD_ShowString(10,30,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"www.prechin.net");
33 LCD_ShowString(10,50,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"FLASH-SPI Test");
34 LCD_ShowString(10,70,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"K_UP:Write K_DOWN:Read");
35 FRONT_COLOR=RED;
36
37 while(EN25QXX_ReadID()!=EN25Q64) //检测不到EN25Q64
38 //while(1)
39 {
40 //key3 = EN25QXX_ReadID();
41 printf("EN25Q64 Check Failed! \r\n");
42 LCD_ShowString(10,150,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"EN25Q64 Check Failed! ");
43 }
44 printf("EN25Q64 Check Success!\r\n");
45 LCD_ShowString(10,150,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"EN25Q64 Check Success!");
46
47 LCD_ShowString(10,170,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"Write Data:");
48 LCD_ShowString(10,190,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"Read Data :");
49
50 while(1)
51 {
52 key=KEY_Scan(0);
53 if(key==KEY_UP)
54 {
55 EN25QXX_Write((u8 *)text_buf,0,TEXT_LEN);
56 printf("发送的数据：%s\r\n",text_buf);
57 LCD_ShowString(10+11*8,170,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,"www.prechin.net");
58 }
59 if(key==KEY_DOWN)
60 {
61 EN25QXX_Read(buf,0,TEXT_LEN);
62 printf("接收的数据：%s\r\n",buf);
63 LCD_ShowString(10+11*8,190,tftlcd_data.width,tftlcd_data.height,16,buf);
64 }
65
66 i++;
67 if(i%20==0)
68 {
69 led1=!led1;
70 }
71
72 delay_ms(10);
73
74 }
75 }

注意：

由于实验板上的 FLASH 芯片默认已经存储了特定用途的数据，如擦除了这些数据会影响到某些程序的运行。所以我们预留了 FLASH 芯片的“第 0 扇区(0-4096 地址)”专用于本实验，如非必要，请勿擦除其它地址的内容。如已擦除，可在配套资料里找到“刷外部 FLASH 内容”程序，根据其说明给 FLASH 重新写入出厂内容。

1 //无检验写SPI FLASH
2 //必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
3 //具有自动换页功能
4 //在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
5 //pBuffer:数据存储区
6 //WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
7 //NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
8 //CHECK OK
9 void EN25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
10 {
11 u16 pageremain;
12 pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数
13 if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节 14 while(1) 15 { 16 EN25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain); 17 if(NumByteToWrite==pageremain)break;//写入结束了 18 else //NumByteToWrite>pageremain
19 {
20 pBuffer+=pageremain;
21 WriteAddr+=pageremain;
22
23 NumByteToWrite-=pageremain; //减去已经写入了的字节数
24 if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节
25 else pageremain=NumByteToWrite; //不够256个字节了
26 }
27 }
28 }

1 #ifndef _flash_H
2 #define _flash_H
3
4 #include "system.h"
5
6
7 //EN25X系列/Q系列芯片列表
8 //EN25Q80 ID 0XEF13
9 //EN25Q16 ID 0XEF14
10 //EN25Q32 ID 0XEF15
11 //EN25Q64 ID 0XEF16
12 //EN25Q128 ID 0XEF17
13 #define EN25Q80 0XEF13
14 #define EN25Q16 0XEF14
15 #define EN25Q32 0XEF15
16 //#define EN25Q64 0XEF16
17 //#define EN25Q128 0XEF17
18 //#define EN25Q64 0XC816
19 //#define EN25Q64 0X1C16 //GD25QXX
20 //#define EN25Q64 0X2016 //XM25QHXX
21 #define EN25Q64 0Xb16 //MXIC C216
22 #define EN25Q128 0XC817
23
24 extern u16 EN25QXX_TYPE; //定义EN25QXX芯片型号
25
26 #define EN25QXX_CS PGout(13) //EN25QXX的片选信号
27
28
29 //指令表
30 #define EN25X_WriteEnable 0x06
31 #define EN25X_WriteDisable 0x04
32 #define EN25X_ReadStatusReg 0x05
33 #define EN25X_WriteStatusReg 0x01
34 #define EN25X_ReadData 0x03
35 #define EN25X_FastReadData 0x0B
36 #define EN25X_FastReadDual 0x3B
37 #define EN25X_PageProgram 0x02
38 #define EN25X_BlockErase 0xD8
39 #define EN25X_SectorErase 0x20
40 #define EN25X_ChipErase 0xC7
41 #define EN25X_PowerDown 0xB9
42 #define EN25X_ReleasePowerDown 0xAB
43 #define EN25X_DeviceID 0xAB
44 #define EN25X_ManufactDeviceID 0x90
45 #define EN25X_JedecDeviceID 0x9F
46
47 void EN25QXX_Init(void);
48 u16 EN25QXX_ReadID(void); //读取FLASH ID
49 u8 EN25QXX_ReadSR(void); //读取状态寄存器
50 void EN25QXX_Write_SR(u8 sr); //写状态寄存器
51 void EN25QXX_Write_Enable(void); //写使能
52 void EN25QXX_Write_Disable(void); //写保护
53 void EN25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);
54 void EN25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead); //读取flash
55 void EN25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);//写入flash
56 void EN25QXX_Erase_Chip(void); //整片擦除
57 void EN25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr); //扇区擦除
58 void EN25QXX_Wait_Busy(void); //等待空闲
59 void EN25QXX_PowerDown(void); //进入掉电模式
60 void EN25QXX_WAKEUP(void); //唤醒
61
62
63 #endif