SPI接口——基于STM32

物联网 2018-08-14 14:38:32 阅读次数: 0

SPI接口——基于STM32

一、SPI协议【SerialPeripheral Interface】

        串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。在ADC/LCD等与MCU间通信。

1、SPI信号线

        SPI 包含 4 条总线，SPI 总线包含 4 条总线，分别为SS 、SCK、MOSI、MISO。

（1）SS（SlaveSelect）：片选信号线，当有多个 SPI 设备与 MCU 相连时，每个设备的这个片选信号线是与 MCU 单独的引脚相连的，而其他的 SCK、MOSI、MISO 线则为多个设备并联到相同的 SPI 总线上，低电平有效。

（2）SCK （Serial Clock）：时钟信号线，由主通信设备产生，不同的设备支持的时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为 f PCLK /2。

（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，从机的数据则由这条信号线输出，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2、SPI模式

根据 SPI 时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA） 配置的不同，分为 4 种 SPI 模式。时钟极性是指 SPI 通信设备处于空闲状态时（也可以认为这是 SPI 通信开始时，即SS 为低电平时），SCK 信号线的电平信号。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时则相反。时钟相位是指数据采样的时刻，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。

首先，由主机把片选信号线SS 拉低，意为主机输出，在SS 被拉低的时刻，SCK 分为两种情况，若我们设置为 CPOL=0，则 SCK 时序在这个时刻为低电平，若设置为 CPOL=1，则 SCK 在这个时刻为高电平。采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿(注意奇数边沿有时为下降沿，有时为上升沿)。

CPHA=1时，数据信号的采样时刻为偶数边沿。

二、SPI特性及架构

（1）单次传输可选择为 8 或 16 位。

（2）波特率预分频系数(最大为 fPCLK/2) 。

（3）时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)可编程设置 。

（4）数据顺序的传输顺序可进行编程选择，MSB 在前或 LSB 在前。

（5）可触发中断的专用发送和接收标志。

（6）可以使用 DMA 进行数据传输操作。

1、SPI架构

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。

最后为 NSS 引脚，这个引脚扮演着 SPI 协议中的SS 片选信号线的角色，如果我们把 NSS 引脚配置为硬件自动控制，SPI 模块能够自动判别它能否成为 SPI 的主机，或自动进入 SPI 从机模式。但实际上我们用得更多的是由软件控制某些 GPIO 引脚单独作为SS信号，这个 GPIO 引脚可以随便选择。

三、SPI接口读取Flash

        各信号线相应连接到 Flash（型号 ：W25X16/W25Q16）的 CS、CLK、DO 和 DIO 线，实现SPI 通信，对 Flash进行读写，其中 W25X16 和 W25Q16 在程序上不同的地方是 FLASH 的ID 不一样。

        读取 Flash 的 ID 信息，写入数据，并读取出来进行校验，通过串口打印写入与读取出来的数据，输出测试结果。

        不同的设备都会相应的有不同的指令，如 EEPROM 中会把第一个数据解释为存储矩阵的地址（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。

SPI-FLASH通信：

（1）配置 I/O端口，使能 GPIO。

（2）根据将要进行通信器件的 SPI模式，配置 STM32的 SPI，使能 SPI时钟。

（3）配置好 SPI后，根据各种 Flash定义的命令控制对它的读写。

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

1、 main.c

int main(void)
{
  /* 配置串口 1 为：115200 8-N-1 */
  USART1_Config();
  printf("\r\n 这是一个 2M 串行 flash(W25X16)实验 \r\n");
 
  /* 2M 串行 flash W25Q16 初始化 */
  SPI_FLASH_Init();
 
  /* Get SPI Flash Device ID */
  DeviceID = SPI_FLASH_ReadDeviceID();
 
  Delay( 200 );
 
  /* Get SPI Flash ID */
  FlashID = SPI_FLASH_ReadID();
 
  printf("\r\n FlashID is 0x%X, Manufacturer Device ID is 0x%X\r\n",  FlashID, DeviceID);
 
  /* Check the SPI Flash ID */
  if (FlashID == sFLASH_ID)   /* #define sFLASH_ID 0xEF3015 */
  {
    printf("\r\n 检测到串行 flash W25X16 !\r\n");
 
    SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);
    SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress,  BufferSize);
    printf("\r\n 写入的数据为：%s \r\t", Tx_Buffer);
 
    SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);
    printf("\r\n 读出的数据为：%s \r\n", Tx_Buffer);
    /* 检查写入的数据与读出的数据是否相等 */
    TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);
 
    if ( PASSED == TransferStatus1 )
    {
      printf("\r\n 2M 串行 flash(W25X16)测试成功!\n\r");
    }
    else
    {
      printf("\r\n 2M 串行 flash(W25X16)测试失败!\n\r");
    }
  }// if (FlashID == sFLASH_ID)
  else
  {
    printf("\r\n 获取不到 W25X16 ID!\n\r");
 
  }
 
  SPI_Flash_PowerDown();
  while (1);
}

（1）调用 USART1Confi g() 初始化串口。

（2）调用 SPI_FLASH_Init() 初始化 SPI 模块。

（3）调用 SPI_FLASH_ReadDeviceID() 读取 Flash 器件生产厂商的 ID 信息。

（4）调用 SPI_FLASH_ReadID() 读取 Flash 器件的设备 ID 信息

（5）若读取得的ID正确， 则调用 SPI_FLASH_SectorErase()把 Flash 的内 容擦除，擦除后调用SPI_FLASH_BufferWrite() 向Flash 写入数据，然后再调用SPI_FLASH_BufferRead()从刚刚写入的地址中读出数据。最后调用 Buffercmp() 函数对写入的数据与读取的数据进行比较，若写入的数据与读出的数据相同，则把标志变量TransferStatus1 赋值为 PASSED（自定义的枚举变量）。

（6）最后调用 SPI_Flash_PowerDown()函数关闭 Flash 设备的电源，因为数据写入到Flash 后并不会因断电而丢失，我们在使用它时才重新开启 Flash 的电源

2、SPI初始化

#define SPI_FLASH_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)
#define SPI_FLASH_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)
 
void SPI_FLASH_Init(void)
{
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
 
  /* SCK */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
  /* MISO */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
  /* MOS */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
  /* CS  */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
 
  SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;
  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
  SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
  SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
 
  SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

（1）SPI_Mode ：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 的时序是由通信中的主机产生的。若被配置为从机模式，STM32 的 SPI 模块将接受外来的 SCK 信号。
（2）SPI_DataSize ： SPI 每次通信的数据大小（称为数据帧）为 8 位还是 16 位。

（3）SPI_CPOL 和 SPI_CPHA ：配置SPI的时钟极性（CPOL）和时钟相位CPHA），这两个配置影响到 SPI 的通信模式，该设置要符合将要互相通信的设备的要求。CPOL 分别可以取 SPI_CPOL_High（SPI 通信空闲时 SCK 为高电平）和SPI_CPOL_Low（SPI 通信空闲时 SCK 为低电平）。CPHA 则可以取 SPI_CPHA_1Edge（在 SCK 的奇数边沿采集数据） 和 SPI_CPHA_2Edge（在 SCK偶数边沿采集数据）。

（4）SPI_NSS ：配置NSS引脚的使用模式，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。如果外界条件允许，硬件模式还会自动将 STM32 的 SPI 设置为主机。我们使用软件模式，向这个成员赋值为 SPI_NSS_Soft。

（5）SPI_BaudRatePrescaler：本成员设置波特率分频值，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 f PCLK 的 2、4、6、8、16、32、64、128、256 分频。赋值为 SPI_BaudRatePrescaler_4，即 f PCLK 的 4 分频。

（6）SPI_FirstBit：所有串行的通信协议都会有 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。据 Flash 的通信时序，我们向这个成员赋值为MSB先行（SPI_FirstBit_MSB）。

（7）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。由于本实验的 Flash 不支持 CRC校验，所以我们向这个结构体成员赋值为 7 实际上是没有意义的。

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寄存器中，实现SPI 的初始化，然后调用 SPI_Cmd() 来使能 SPI1。

3、读FLASH的ID

#define Dummy_Byte   0xFF
 
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{
  // 等待发送数据寄存器清空
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
 
  SPI_I2S_SendData(SPI1, byte); // 向从机发送数据
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收数据寄存器非空
 
  return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); // 获取接收寄存器中的数据
}
u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{
  u32 Temp = 0;
 
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);
  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
 
  return Temp;
}

4、读取厂商ID

u32 SPI_FLASH_ReadID(void)
{
  u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;
 
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID); // 0x9F
  Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
 
  Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;
  return Temp;
}

5、擦除FLASH内容

void SPI_FLASH_WriteEnable(void)
{
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable); // 06H
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
}
 
void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void)
{
  u8 FLASH_Status = 0;
 
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg); // 05H
  do
  {
    FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
  }
  while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET);
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
}
 
void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr)
{
  SPI_FLASH_WriteEnable();
  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
 
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase); // 20H
  SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);
  SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);
  SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
 
  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
}

6、向Flash写数据——分页

void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
  SPI_FLASH_WriteEnable();
 
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram); // 02H
  SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);
  SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);
  SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);
 
  if(NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize)
  {
    NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;
  }
 
  while (NumByteToWrite--)
  {
    SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);
    pBuffer++;
  }
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
 
  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
}
 
 
void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
  u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;
 
  Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;
  count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;
  NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
  NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;
 
  if (Addr == 0)
  {
    if (NumOfPage == 0)
    {
      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
    }
    else
    {
      while (NumOfPage--)
      {
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
        WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;
        pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
      }
 
      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
    }
  }
  else
  {
    if (NumOfPage == 0)
    {
      if (NumOfSingle > count)
      {
        temp = NumOfSingle - count;
 
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
        WriteAddr +=  count;
        pBuffer += count;
 
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);
      }
      else
      {
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
      }
    }
    else
    {
      NumByteToWrite -= count;
      NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
      NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;
 
      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
      WriteAddr +=  count;
      pBuffer += count;
 
      while (NumOfPage--)
      {
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
        WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;
        pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
      }
 
      if (NumOfSingle != 0)
      {
        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
      }
    }
  }
}

7、从Flash读

void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
{
  SPI_FLASH_CS_LOW();
  SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData); // 03H
  SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);
  SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF00) >> 8);
  SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);
  while (NumByteToRead--) 
  {
    *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
    pBuffer++;
  }
  SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

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