STM32 SPI实验

目录

本文将按照以下几个内容介绍

• SPI简介
• 相关寄存器
• 相关步骤
• 相关代码
• 运行结果
• 几个注意点

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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。

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。

从图中可以看出，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。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的 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来引发从机的传输。

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。

不同时钟相位下的总线数据传输时序如下图所示：

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。

MISO 数据线接收到的信号经移位寄存器处理后把数据转移到接收缓冲区，然后这个数据就可以由我们的软件从接收缓冲区读出了。
当要发送数据时，我们把数据写入发送缓冲区，硬件将会把它用移位寄存器处理后输出到 MOSI 数据线。
SCK 的时钟信号则由波特率发生器产生，我们可以通过波特率控制位（BR）来控制它输出的波特率。

控制寄存器 CR1 掌管着主控制电路，STM32 的 SPI 模块的协议设置（时钟极性、相位等）就是由它来制定的。而控制寄存器 CR2 则用于设置各种中断使能。

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相关步骤

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。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。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB 时钟使能  
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE );//SPI2 时钟使能   
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15; 
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //PB13/14/15 复用推挽输出  
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIOB 

初始化 SPI2,设置 SPI2 工作模式

接下来我们要初始化 SPI2,设置 SPI2 为主机模式，设置数据格式为 8 位，然后设置 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）。

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
typedef struct {   
	uint16_t SPI_Direction;   			//SPI通信方式，全双工、半双工、串行发和串行收
	uint16_t SPI_Mode;    	  			//设置主从模式
	uint16_t SPI_DataSize;				//8位、16位帧传输    
	uint16_t SPI_CPOL;    				//时钟极性，空闲时高低电平
	uint16_t SPI_CPHA;    				//时钟相位，第几个跳变沿开始采集数据
	uint16_t SPI_NSS;      				//设置NSS信号由硬件还是软件控制
	uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;     //波特率预分频
	uint16_t SPI_FirstBit;       		//设置MSB位还是LSB位在前
	uint16_t SPI_CRCPolynomial;  		//CRC校验多项式
}SPI_InitTypeDef;

使能SPI2

SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能 SPI 外设 

SPI传输数据

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);	//发送数据
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);	//接收数据

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，发送区是否为空等等状态

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);

W25Q128

W25Q128 是华邦公司推出的大容 量 SPI FLASH 产品，W25Q128 的容量为 128Mb，该系列还有 W25Q80/16/32/64 等。ALIENTEK 所选择的 W25Q128 容量为 128Mb，也就是 16M 字节。

W25Q128 将 16M 的容量分为 256 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。W25Q128 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 W25Q128 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。

这里，我们的 F_CS 是连接在 PB12 上面的，另外要特别注意：W25Q128 和 NRF24L01 共 用 SPI2，所以这两个器件在使用的时候，必须分时复用（通过片选控制）才行。

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相关代码

SPI2_Init

void SPI2_Init(void)
{
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  	SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能 
	RCC_APB1PeriphClockCmd(	RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE );//SPI2时钟使能 	
 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //PB13/14/15复用推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

 	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);  //PB13/14/15上拉

	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
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;		//设置SPI工作模式:设置为主SPI
	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
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;		//串行同步时钟的空闲状态为高电平
	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
	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
	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
	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
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;	//CRC值计算的多项式
	SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外设
	SPI2_ReadWriteByte(0xff);//启动传输		 
}  

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SPI2_ReadWriteByte

该函数，首先，数据从数据寄存器通过总线到达发送缓冲区，若发送缓冲区里面的数据还没有来得及送入移位寄存器，那么则等待；等待结束后，执行SPI_I2S_SendData函数，通过MOSI完成数据发送，接着通过MISO接收数据到移位寄存器，将数据送入接收缓冲区，接着由软件完成数据的读取。

//SPIx 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)
{		
	u8 retry=0;	
	//当数据寄存器里有数据时，TXE位是0，当数据全部从数据寄存器的发送缓冲区传输到
	//移位寄存器时,TXE位被置1，这时候，可以往数据寄存器里面写入数据。
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位
	{
		retry++;
		if(retry>200)return 0;
	}
	//往SPIx数据寄存器写入数据TxData
	SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通过外设SPIx发送一个数据
	retry=0;
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位
	{
		retry++;
		if(retry>200)return 0;
	}	  						    
	//从数据寄存器读取数据
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通过SPIx最近接收的数据					    
}

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W25QXX_Init

通过W25Q128的相关引脚可以得到如下。

//初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Init(void)
{	
  	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能 

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;  // PB12 推挽,其他引脚接上SPI4个引脚
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
 
    W25QXX_CS=1;				//SPI FLASH不选中
	SPI2_Init();		   	//初始化SPI
	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2);//设置为18M时钟,高速模式
	W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();//读取FLASH ID.  
}  

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W25QXX_Read

//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 W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ 
 	u16 i;   										    
	W25QXX_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[i]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);   	//循环读数  
    }
	W25QXX_CS=1;  				    	      
}  

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W25QXX_Write

const u8 TEXT_Buffer[]={"ELITE STM32 SPI TEST"};
FLASH_SIZE=128*1024*1024;	//FLASH 大小为16M字节
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
W25QXX_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
//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 W25QXX_BUFFER[4096];		 
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ 
	u32 secpos;
	u16 secoff;
	u16 secremain;	   
 	u16 i;    
	u8 * W25QXX_BUF;	  
   	W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;	//指针指向首地址,16M,256块,每块64k,每块16扇区，每个扇区4k
 	secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址,(128*1024*1024-100)/4k = 哪一个扇区的编号 
	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\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
 	if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节
	while(1) 
	{	
		W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容
		for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据
		{
			/* 
				若NumByteToWrite = 15byte,secremain =15，说明要写15个字节的数据
				if (W25QXX_BUF[偏移+字节数]!=0xFF)擦除，意思就是之前写过，需要擦除。
			*/
			if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  
		}
		if(i<secremain)//需要擦除
		{
			W25QXX_Erase_Sector(secpos);		//擦除这个扇区，每次要求必须擦除4k个字节
			for(i=0;i<secremain;i++)	   		//复制
			{
				W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  
			}
			W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  

		}else W25QXX_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，一个扇区内的操作
		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
		}	 
	};	 
}
//擦除一个扇区
//Dst_Addr:扇区地址 根据实际容量设置
//擦除一个山区的最少时间:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)   
{  
	//监视falsh擦除情况,测试用   
 	printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);	  
 	Dst_Addr*=4096;								//传入的是扇区地址，比如(128*1024*1024-100)/4k *4 k = 地址
    W25QXX_Write_Enable();                  	//SET WEL 	 
    W25QXX_Wait_Busy();   
  	W25QXX_CS=0;                            	//使能器件   
    SPI2_ReadWriteByte(W25X_SectorErase);      	//发送扇区擦除指令,0x20 
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16));  	//发送24bit地址    
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));   
    SPI2_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);  
	W25QXX_CS=1;                            	//取消片选     	      
    W25QXX_Wait_Busy();   				   		//等待擦除完成
}  

W25QXX_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);					//从倒数第100个地址处开始,读出SIZE个字节
//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)
//地址范围,0-128*1024*1024,一次写入一个字节,所以分3次写入地址。
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ 
 	u16 i;   										    
	W25QXX_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++)
	{
		//读取NumByteToRead个字节
		/*
			根据要求，读取数据必须要写入一个字节数据，引起传输，所以在SPI2_ReadWriteByte函数里面，
			有写入函数，返回读取到的内容。
			
		*/
        pBuffer[i]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);   	//循环读数  
    }
	W25QXX_CS=1;  				    	      
}

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W25QXX_Write_NoCheck

//无检验写SPI FLASH 
//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!
//具有自动换页功能 
//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!
//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)
//CHECK OK
const u8 TEXT_Buffer[]={"ELITE STM32 SPI TEST"};
FLASH_SIZE=128*1024*1024 - 100;	//FLASH 大小为16M字节
secremain = sizeof(TEXT_Buffer);
W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. 

void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ 		
	//SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据 		 
	u16 pageremain;	   
	pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数,156，因为写了100个字节.
			 	    
	if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节
	while(1)
	{	   
		W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);
		if(NumByteToWrite==pageremain)break;//写入结束了
	 	else //NumByteToWrite>pageremain
		{
			pBuffer+=pageremain;
			WriteAddr+=pageremain;	

			NumByteToWrite-=pageremain;			  //减去已经写入了的字节数
			if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节
			else pageremain=NumByteToWrite; 	  //不够256个字节了
		}
	};	    
} 
//SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
//在指定地址开始写入最大256字节的数据
//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256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!	 
void W25QXX_Write_Page(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
 	u16 i;  
    W25QXX_Write_Enable();                  	//SET WEL 
	W25QXX_CS=0;                            	//使能器件   
    SPI2_ReadWriteByte(W25X_PageProgram);      	//发送写页命令   
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>16)); 	//发送24bit地址    
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>8));   
    SPI2_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);   
    for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)	SPI2_ReadWriteByte(pBuffer[i]);//循环写数  
	W25QXX_CS=1;                            	//取消片选 
	W25QXX_Wait_Busy();					   		//等待写入结束
} 

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几个注意点

• 我们利用STM32的SPI来读取外部SPI FLASH芯片（W25Q128）。
• 我们的F_CS是连接在PB12上面，需要注意的是，W25Q128和NRF24L01共用SPI2，所以这两个器件在使用的时候，必须分时复用（通过片选控制）才行。
• SPI有一个16位的数据寄存器SPI_DR，它对应两个缓冲区，一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。发送时，可以检测SPI_SR的TXE位，当数据寄存器里面有数据时，TXE位是0，当数据全部从数据寄存器的发送缓冲区传输到移位寄存器时，TXE位置1，此时可以往数据寄存器写入数据。可以通过检测SPI_SR中的RXNE位，当数据寄存器中有数据时，RXNE位是0，当数据全部从数据寄存器的接收缓冲区传输到移位寄存器时，RXNE位被置1，这时候可以从数据寄存器里面读取数据。
• MISO数据线接收到的信号经移位寄存器处理后把数据转移到接收缓冲区，然后这个数据由我们的软件从接收缓冲区读出了。当要发送数据时，我们把数据写入发送缓冲区，硬件将会把它用移位寄存器处理后输出到MOSI数据线。
• 注意在写操作前要先进行存储扇区的擦除操作，擦除操作前也要先发出“写使能”命令

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参考

【1】 stm32 spi 疑惑解疑 1 https://blog.csdn.net/Grace_1203/article/details/100151047
【2】STM32 SPI 学习笔记 https://blog.csdn.net/shenhuaifeng/article/details/54861010
【3】 再学 SPI ——（一）SPI片选信号 https://blog.csdn.net/wwt18811707971/article/details/89190625