STM32基础教程——硬件SPI

目录

前言

SPI硬件电路

SPI部分特征 

SPI框图 

SPI数据收发过程 

W25Q64 

技术实现 

接线图 

代码实现 

技术要点 

引脚操作

SPI初始化

SPI起始信号

SPI终止信号

SPI字节交换

宏替换W25Q64操作指令 

W25Q64写使能 

忙等待

读取设备ID号和制造商ID

页写入

数据读取

实验结果

问题记录 

---

前言

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信接口规范，主要用于短距离通信，广泛应用于嵌入式系统中。它使一个主设备能够与一个或多个从设备进行通信。SPI使用四条主要信号线：MOSI（主机输出/从机输入）、MISO（主机输入/从机输出）、SCK（串行时钟）和SS/CS（从选/片选）来实现数据的双向传输。这种接口方式支持全双工通信，具有传输速率高、延迟低的优点，但相比其他一些接口协议，使用的信号线较多。SPI常用于连接传感器、存储器、ADC（模数转换器）等外围设备。

SPI硬件电路

• 所有SPI设备的SCK,MISO,MOSI分别连在一起。
• 主机另外引出多条CS控制线分别连接到各从机的CS引脚。
• 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空输入或上拉输入。

SPI部分特征 

• 3线（SCK,MISO,MOSI）全双工同步传输
• 带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输（只使用一根MISO或MOSI进行双向半双工数据传输）
• 8或16位传输帧格式选择
• 8个主模式波特率预分频系数（最大为fPCLK/2）
• 可编程的时钟极性和相位
• 可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前

SPI框图 

SPI数据收发过程 

硬件SPI通常只使用非连续数据传输方式，时钟速率不需要太快。

 （模式3）SCK被拉低后发送起始信号，要发送的数据被写入SPI_DR寄存器，TXE被清零，表示发送缓冲数据寄存器非空，然后数据从缓冲数据寄存器移入移位寄存器，TXE标志被置位，表示发送数据缓冲器空，因为使用非连续传输方式，暂时不用进行数据写入。然后数据从移位寄存器移出，一个时钟信号移出1位，同时从MISO移入数据接收缓冲寄存器一位，连续8个时钟信号后，一个字节的数据移出，一个字节的数据移入，完成一个字节数据的交换。读取SPI_SR寄存器的RXNE位判断接收数据寄存器内是否接收到数据。读出数据后方可进行下一个字节的写入与接收。

W25Q64 

W25Q64是华邦公司（Winbond）推出的一款基于SPI通信的大容量闪存产品，其存储容量为64Mb（即8MB）。该芯片支持2.7~3.6V的工作电压范围，并且具备至少10万次的擦写周期和长达20年的数据保存时间。W25Q64以其灵活性和出色的性能著称，非常适合用于存储声音、文本和数据等应用。它被组织为32768个可编程页面，每个页面包含256字节的数据。此外，W25Q64还支持多种擦除命令，包括4KB扇区擦除、32KB块擦除、64KB块擦除以及全片擦除，并且兼容标准SPI模式0和模式3，最高支持133MHz的时钟频率。通过SPI接口，W25Q64可以轻松地与各种微控制器进行集成，实现高效的数据读写操作。

W25Q64由8MB的存储容量，存储区域被划分成了128个块，每个块又被划分成了16个扇区，每个扇区又被划分成了 16个页。

W25Q64写入操作时：

•  在写入操作之前，必须先进行写使能。
• 每个数据为只能有1改写成0，不能由0改写成1。
• 写入数据之前必须先擦除，擦除后，所有的数据位都变为1。
• 擦除必须以最小单元擦除（这里最小擦除单元时4kb扇区）。
• 连续写入多个字节时最多写入一页的数据（256Byte），超过页尾的数据会回到页首覆盖写入。
• 写入操作完成后，芯片进入忙状态，不响应新的写操作。

W25Q64读操作时：

• 直接调取读操作时序，无需写使能，无需其他操作，没有页限制，读取操作完成后芯片不会进入忙状态，但是芯片忙状态时不能进行读操作。

技术实现 

原理图

 

接线图 

代码实现 

main.c

/**********************************************************
1.实验名称:硬件SPI读写W25Q64
2.实验环境:STM32F103C8T6最小系统板
3.实验内容：使用SPI外设实现读写W25Q64	
4.作者；abai
5.实验时间：2025-5-7
**********************************************************/
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"						//延时函数
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MF;
uint16_t ID;
uint8_t SendArry[] = {0x05,0x06,0x07,0x08};
uint8_t ReceiveArry[4];int main(void)
{/*OLED初始化*/OLED_Init();W25Q64_Init();OLED_ShowString(1,1,"MF:");OLED_ShowString(2,1,"ID:");OLED_ShowString(3,1,"W:");OLED_ShowString(4,1,"R:");W25Q64_SectorErase(0x000000);												//写入数据之前必须页擦除W25Q64_PageProgram(0x000000,SendArry,4);W25Q64_ReadData(0x000000,ReceiveArry,4);W25Q64_ReadID(&MF,&ID);OLED_ShowHexNum(3,3,SendArry[0],2);OLED_ShowHexNum(3,5,SendArry[1],2);OLED_ShowHexNum(3,7,SendArry[2],2);OLED_ShowHexNum(3,9,SendArry[3],2);OLED_ShowHexNum(4,3,ReceiveArry[0],2);OLED_ShowHexNum(4,5,ReceiveArry[1],2);OLED_ShowHexNum(4,7,ReceiveArry[2],2);OLED_ShowHexNum(4,9,ReceiveArry[3],2);OLED_ShowHexNum(1,4,MF,2);OLED_ShowHexNum(2,4,ID,4);while(1){}
}

MySPI.h 

#ifndef MYSPI_H
#define MYSPI_H#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid MySPI_Init(void);
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue);
void MySPI_SCK_W(uint8_t BitValue);
void MySPI_MOSI_W(uint8_t BitValue);
uint8_t MySPI_MISO_R(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue);#endif

 MySPI.c

#include "MySPI.h"/***@brief  SPI初始化*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//GPIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_4;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_Out_PP;								//推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_AF_PP;								//复用推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_6;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_IPU;								//上拉输入GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//SPISPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler 	= SPI_BaudRatePrescaler_128;			//SPI时钟采用32分频SPI_InitStruct.SPI_CPHA 				= SPI_CPHA_1Edge;						//选择第几个上升沿捕获数据SPI_InitStruct.SPI_CPOL 				= SPI_CPOL_Low;							//时钟默认为低电平SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial 		= 7;									//CRC校验，这里不使用给一个默认值7SPI_InitStruct.SPI_DataSize 			= SPI_DataSize_8b;						//数据字节长度为8SPI_InitStruct.SPI_Direction 			= SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;		//数据传输采用双向全双工SPI_InitStruct.SPI_FirstBit 			= SPI_FirstBit_MSB;						//数据传输采用高位在前SPI_InitStruct.SPI_Mode 				= SPI_Mode_Master;						//SPI主模式SPI_InitStruct.SPI_NSS 					= SPI_NSS_Soft;							//使用GPIO模拟CS，这里设置为软件控制即可SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);//使能SPISPI_Cmd(SPI1,ENABLE);//默认CS为高电平MySPI_CS_W(1);
}/***@brief  SPI CS控制*@param  BitValue 要写入CS的位数据*@retval None**/
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}/***@brief  SPI起始信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_CS_W(0);																//将片选信号拉低发送起始信号
}/***@brief  SPI终止信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_CS_W(1);																//将片选信号拉高发送终止信号
}/***@brief  SPI交换字节*@param  None*@retval 交换的字节**/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue)
{while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE));SPI_I2S_SendData(SPI1,ByteValue);while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE));return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

W25Q64_Ins.h 

#ifndef W25Q64_INS_H
#define W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITEENABLE 				0x06
#define W25Q64_READSTATUSREGISTER1 		0x05
#define W25Q64_PAGEPROGRAM 				0x02
#define W25Q64_SECTORERASE4KB 			0x20
#define W25Q64_JEDECID 					0X9F
#define W25Q64_READDATA 				0x03
#define W25Q64_DUMMY_BYTE 				0xFF#endif

W25Q64.h 

#ifndef W25Q64_H
#define W25Q64_H#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"void W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID);
void W25Q64_WriteEnable(void);
void W25Q64_WaitBusy(void);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count);#endif

W25Q64.c 

#include "W25Q64.h"
#include "W25Q64_Ins.h"/***@brief  W25Q64初始化*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_Init(void)
{MySPI_Init();
}/***@brief  W25Q64ID读取*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID)
{MySPI_Start();//发送读取ID指令MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDECID);//发送空指令交换数据*MF = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);													//随便发送一个数据用于与从机交换数据，一般使用0xFF或0x00*ID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*ID <<= 8;*ID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID写使能*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();//发送写使能指令MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITEENABLE);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID忙等待*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{MySPI_Start();//发送读状态寄存器指令MySPI_SwapByte(W25Q64_READSTATUSREGISTER1);//等待BUSY位清零，则从设备退出忙状态while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0X01) == 0X01);MySPI_Stop();
}/***@brief  W25Q64ID页写入*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();														//写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGEPROGRAM);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);//发送指定数量的数据for(i=0;i<Count;i++){MySPI_SwapByte(DataArry[i]);}MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();															//事后等待忙状态
}/***@brief  W25Q64ID指定扇区擦除*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{			W25Q64_WriteEnable();MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTORERASE4KB);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();
}/***@brief  W25Q64ID读取数据*@param  None*@retval None*@note   数据接收的数量也要指定，不然无法停止数据读取操作**/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count)
{uint32_t i;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READDATA);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);for(i=0;i<Count;i++){DataArry[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);}MySPI_Stop();
}

 OLED部分代码参照文章《STM32基础教程——OLED显示》

技术要点 

引脚操作

/***@brief  SPI CS控制*@param  BitValue 要写入CS的位数据*@retval None**/
void MySPI_CS_W(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue);
}

对单个引脚的操作进行封装，用于模拟SPI引脚电平翻转用于控制CS信号。 

SPI初始化

/***@brief  SPI初始化*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//GPIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_4;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_Out_PP;								//推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_AF_PP;								//复用推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin	= GPIO_Pin_6;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode	= GPIO_Mode_IPU;								//上拉输入GPIO_InitStruct.GPIO_Speed	= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//SPISPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler 	= SPI_BaudRatePrescaler_128;			//SPI时钟采用128分频SPI_InitStruct.SPI_CPHA 				= SPI_CPHA_1Edge;						//选择第几个上升沿捕获数据SPI_InitStruct.SPI_CPOL 				= SPI_CPOL_Low;							//时钟默认为低电平SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial 		= 7;									//CRC校验，这里不使用给一个默认值7SPI_InitStruct.SPI_DataSize 			= SPI_DataSize_8b;						//数据字节长度为8SPI_InitStruct.SPI_Direction 			= SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;		//数据传输采用双向全双工SPI_InitStruct.SPI_FirstBit 			= SPI_FirstBit_MSB;						//数据传输采用高位在前SPI_InitStruct.SPI_Mode 				= SPI_Mode_Master;						//SPI主模式SPI_InitStruct.SPI_NSS 					= SPI_NSS_Soft;							//使用GPIO模拟CS，这里设置为软件控制即可SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);//使能SPISPI_Cmd(SPI1,ENABLE);//默认CS为高电平MySPI_CS_W(1);
}

SPI初始化，先初始化GPIO，PA4作为软件发送CS信号的引脚，应初始化为推挽输出。PA5和PA7作为外设SPI的SCK和MOSI引脚，应初始化为复用推挽输出，PA6引脚作为MISO引脚，用于接收数据输入，初始化为上拉输入。

SPI1初始化，时钟分频选择128分频，SPI1为APB2外设，系统时钟为72MHz，经分频后时钟频率为562.5kHz。设置第一个边沿数据移入，且默认时钟为低电平。将SPI设置为主模式下双向全双工模式，数据长度设置为8位，数据传输高位在前。其余杂项CRC校验设为默认值，NSS在本实验不使用，设置为软件控制。将片选信号初始化为高电平。

SPI起始信号

SPI的起始时序是CS(SS)从高电平切换为低电平 。

/***@brief  SPI起始信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_CS_W(0);																//将片选信号拉低发送起始信号
}

SPI终止信号
 

 SPI的终止时序是CS(SS)从低电平切换为高电平 。

/***@brief  SPI终止信号*@param  None*@retval None**/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_CS_W(1);																//将片选信号拉高发送终止信号
}

SPI字节交换

SPI为同步全双工通信，每一次通信都会进行数据交换。

/***@brief  SPI交换字节*@param  None*@retval 交换的字节**/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteValue)
{while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE));SPI_I2S_SendData(SPI1,ByteValue);while(!SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE));return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

硬件SPI交换字节数据，先等待TXE标志位置位，表示发送数据缓冲寄存器为空，方可向发送数据缓冲寄存器写入数据，硬件SPI会在数据写入发送数据寄存器后自动完成数据发送，无需手动操作。然后只需等待数据接收寄存器的标志位RXNE被置位即可，当RXNE被置位后，说明数据接收寄存器已接收到从机发来的数据，此时将数据读出即可。

宏替换W25Q64操作指令 

#ifndef W25Q64_INS_H
#define W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITEENABLE 				0x06
#define W25Q64_READSTATUSREGISTER1 		0x05
#define W25Q64_PAGEPROGRAM 				0x02
#define W25Q64_SECTORERASE4KB 			0x20
#define W25Q64_JEDECID 					0X9F
#define W25Q64_READDATA 				0x03
#define W25Q64_DUMMY_BYTE 				0xFF#endif

将对W25Q64操作的命令使用宏代替， 提高代码的便捷性和可读性。

W25Q64写使能 

/***@brief  W25Q64ID写使能*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();//发送写使能指令MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITEENABLE);MySPI_Stop();
}

将写使能操作封装，方便使用。主机与从机交换数据，发送写使能命令，对从机进行写使能操作。

忙等待

/***@brief  W25Q64ID忙等待*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_WaitBusy(void)
{MySPI_Start();//发送读状态寄存器指令MySPI_SwapByte(W25Q64_READSTATUSREGISTER1);//等待BUSY位清零，则从设备退出忙状态while((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0X01) == 0X01);MySPI_Stop();
}

 发送读取状态寄存器1的命令，判断BUSY位的状态，使用while循环等待芯片退出忙状态将BUSY位清零。

读取设备ID号和制造商ID

/***@brief  W25Q64ID读取*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_ReadID(uint8_t* MF, uint16_t*ID)
{MySPI_Start();//发送读取ID指令MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDECID);//发送空指令交换数据*MF = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);													//随便发送一个数据用于与从机交换数据，一般使用0xFF或0x00*ID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*ID <<= 8;*ID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);MySPI_Stop();
}

 主机发送读取JEDEC ID的命令，从机向主机发送数据，数据格式为第一个字节为制造商ID，第二个和第三个字节为设备ID。这里使用指针进行数据操作。

页写入

/***@brief  W25Q64ID页写入*@param  None*@retval None**/
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t* DataArry, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();														//写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGEPROGRAM);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);//发送指定数量的数据for(i=0;i<Count;i++){MySPI_SwapByte(DataArry[i]);}MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();															//事后等待忙状态
}

页写入操作，先进行写使能，然后发送起始信号，发送页写入命令。然后发送24位地址，高16位为页地址，低八位为字节地址。使用for循环写入指定数量的数据，数据的数量不应超过256字节。最后发送停止信号，然后进行芯片忙等待操作（忙等待如果加在函数开始，那读取操作也要加忙等待函数调用，这样会使操作更复杂。）。所有写操作函数与本函数类似，不再赘述。

数据读取

/***@brief  W25Q64ID读取数据*@param  None*@retval None*@note   数据接收的数量也要指定，不然无法停止数据读取操作**/
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address,uint8_t* DataArry, uint32_t Count)
{uint32_t i;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READDATA);//发送24位地址MySPI_SwapByte(Address>>16);MySPI_SwapByte(Address>>8);MySPI_SwapByte(Address);for(i=0;i<Count;i++){DataArry[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);}MySPI_Stop();
}

数据读取操作无需写使能，无需进行其他操作。发送读数据命令，然后发送24位地址，同样高16位地址为页地址，低八位为字节地址。读取操作不受页限制。

实验结果

问题记录 

暂无