本文详细介绍了SPI通信协议，包括物理层和协议层的细节，并以STM32为例，阐述了SPI的器件安装、配置以及与W25Q64芯片的通信过程，包括读取ID、擦除、写入和读取数据的操作。
实验准备
一块STM32最小系统板，W25Q64模块，一块PCB转换板模块、串口TTL转USB模块
图片：
器件安装
SPI通信概念
前面已经学习过了I2C通信，了解了I2C通信协议大概，弄懂了I2C通信那么相信你也可以轻松弄懂的，因为I2C和SPI之间有一些共同点。I2C通信的通信速率最高只有400Kbit/s,而SPI通信最高36Mbit/s乃至更高，可以说是直接碾压IIC。单片机一般也用不到这么快的速度，所以一般用于ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的情景。
SPI通信
SPI 物理层
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NSS
，它们的作用介绍如下：
-
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。
-
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。
-
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。
-
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。
协议层
SPI 基本通讯过程
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。
这个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。单单看看这个时序图和简单的介绍是看不懂。那么我们逐个分析吧。
通讯的起始和停止信号
图中标号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。
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，一般都会采用图中的 MSB 先行模式。
观察图中的②③④⑤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。
CPOL/CPHA 及通讯模式
上面只展示了一种SPI的通讯模式，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。
通讯引脚
注：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。
测试程序
前面我们已经看过了SPI引脚配置和硬件SPI引脚号，那么我们已经可以开始写一个程序了，这次我选择W24Q64芯片，这块芯片拥有8Mbit的内存空间。下面是这块芯片的数据手册，里面对这块芯片说明得很完善了，建议下载下来反复阅读。
https://pan.baidu.com/s/1EtVvINSISv_hSln_4MBURQ/
提取码：w5ej
SPI引脚初始化及宏定义
#define FLASH_SPI_APBxClock_FUN RCC_APB2PeriphClockCmd
#define FLASH_SPI_CLK RCC_APB2Periph_SPI1
#define FLASH_SPI_GPIO_APBxClock_FUN RCC_APB2PeriphClockCmd
#define FLASH_SPI_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA
#define FLASH_SPI_GPIO_PORT GPIOA
#define FLASH_SPI_CS_PIN GPIO_Pin_4
#define FLASH_SPI_CLK_PIN GPIO_Pin_5
#define FLASH_SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_6
#define FLASH_SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_7
static void SPI_GPIOInit(void){
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruoture;
FLASH_SPI_APBxClock_FUN(FLASH_SPI_CLK,ENABLE);
FLASH_SPI_GPIO_APBxClock_FUN(FLASH_SPI_GPIO_CLK,ENABLE);
GPIO_InitStruoture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Pin = FLASH_SPI_CLK_PIN;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(FLASH_SPI_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruoture);
GPIO_InitStruoture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(FLASH_SPI_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruoture);
GPIO_InitStruoture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(FLASH_SPI_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruoture);
GPIO_InitStruoture.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Pin = FLASH_SPI_CS_PIN;
GPIO_InitStruoture.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(FLASH_SPI_GPIO_PORT,&GPIO_InitStruoture);
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
}
SPI模式初始化及宏定义
#define FLASH_SPIx SPI1
static void SPI_Mode_Config(void){
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;
//使用模式3
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 0;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //双线全双工
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
//写入配置
SPI_Init(FLASH_SPIx,&SPI_InitStructure);
//使能SPI
SPI_Cmd(FLASH_SPIx,ENABLE);
}
此次SPI通信我选择模式3，即空闲时SLK时钟为高电平，采样时刻偶数边缘，数据大小为8位，双线全双工。完成SPI初始化后那么SPI通信通道已经建立起来了，下一步就是和W25Q64芯片进行通讯。W25Q64是一块FLASH存储芯片，那么我们可以用它存储一些数据。不过对于新手来说，刚开始就做存储数据有点难度，那我们先进行一次SPI通信获取W25Q64的设备ID号。
static __IO uint32_t SPITimeout = SPI_LONG_TIMEOUT;
static uint32_t SPI_TIMEOUT_UserCallback(uint8_t errorCode)
{
FLASH_ERROR("SPI 等待超时!erroCode = %d",errorCode);
return 0;
}
//发送一个字节
uint8_t SPI_FLASH_Send_Byte(uint8_t data)
{
SPITimeout = SPI_FLAG_TIMEOUT;
//检查并等待至TX缓冲区为空
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){
if((SPITimeout--) == 0)
return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
}
//程序执行到此处，TX缓冲区已空，开始发送数据^^
SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx,data);
SPITimeout = SPI_FLAG_TIMEOUT;
//检查并等待至RX缓冲区为非空
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){
if((SPITimeout--) == 0)
return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
}
//程序执行到此处，说明数据发送完毕，并接收到一字字节
return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx);
}
//读取ID号
uint32_t SPI_Read_ID(void){
static uint32_t flash_id = 0;
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
SPI_FLASH_Send_Byte(READ_JEDEC_ID);
flash_id |= SPI_FLASH_Send_Byte(DUMMY);
flash_id <<= 8;
flash_id |= SPI_FLASH_Send_Byte(DUMMY);
flash_id <<= 8;
flash_id |= SPI_FLASH_Send_Byte(DUMMY);
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
return flash_id;
}
宏定义
//CS引脚配置
#define FLASH_SPI_CS_HIGHT GPIO_SetBits(FLASH_SPI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_CS_PIN);
#define FLASH_SPI_CS_LOW GPIO_ResetBits(FLASH_SPI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_CS_PIN);
//等待超时时间
#define SPI_FLAG_TIMEOUT ((uint32_t)0x1000)
#define SPI_LONG_TIMEOUT ((uint32_t)(10 * SPI_FLAG_TIMEOUT))
//信息输出
#define FLASH_DEBUG_ON 0
#define FLASH_INFO(fmt,arg...) UsartPrintf(USART_DEBUG,"<<-FLASH-INFO->> "fmt"\n",##arg);
#define FLASH_ERROR(fmt,arg...) UsartPrintf(USART_DEBUG,"<<-FLASH-ERROR->> "fmt"\n",##arg);
#define FLASH_DEBUG(fmt,arg...) do{\
if(FLASH_DEBUG_ON)\
UsartPrintf(USART_DEBUG,"<<-FLASH-DEBUG->> [%d]"fmt"\n",__LINE__, ##arg);\
}while(0)
#define DUMMY 0x00
#define READ_JEDEC_ID 0X9F
main函数
#define USART_DEBUG USART1 //调试打印所使用的串口组
int main(){
uint32_t id;
uint16_t i;
Usart1_Init(115200);
UsartPrintf(USART_DEBUG,"\r\n这是一个SPI—FLASH读写实验\r\n");
SPI_FLASH_Init();
id = SPI_Read_ID();
UsartPrintf(USART_DEBUG,"\r\n id = 0x%X\r\n",id);
while(1)
{
}
}
实验效果：
以下是部分W25QXX芯片的厂家ID表用于比对是否正确，及芯片指令表。
READ_JEDEC_ID指令时序图：
对应前面的SPI_Read_ID的内容，单片机芯片发送READ_JEDEC_ID指令（0X9F），W25Q64芯片先返回Manufacturer ID号（0XEF）,接着返回FLASH型号，所有的数据都从高位到低位接收的。
完成获取W25Q64芯片的ID号，那么接下来可以进行存储数据了。储存数据数据之前我们需要一片干净的存储空间，那么必须要先将存储空间擦除干净。由前面的指令表可以查到擦除指令有Page Program——0X02、Block Erase(64KB)——0XD8、Block Erease(32KB)——0X52、Sector Erase(4KB)——0X20，但一般用得多就Page Program和Sector Erase，那对着Sector Erase的时序图写的一段擦除存储空间的代码。
#define WRITE_ENABLE 0X06
#define ERASE_SECTOR 0x20
//FLASH写入使能
void SPI_Write_Enable(void)
{
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
//发送写入使能命令
SPI_FLASH_Send_Byte(WRITE_ENABLE);
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
}
//擦除FLASH指定扇区
void SPI_Erase_Sector(uint32_t addr)
{
SPI_Write_Enable();
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
//发送擦除命令
SPI_FLASH_Send_Byte(ERASE_SECTOR);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>>16)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>> 8)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte(addr&0XFF);
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
SPI_WaitForWriteEnd();
}
擦除后就可以往W25Q64芯片里存储数据了。向FLASH写入内容的指令为Page Program(0X02),对照时序图的要求写就可以了，时序图和代码如下：
#define WRITE_DATA 0X02
//向FLASH写入内容
void SPI_Write_Datas(uint32_t addr,uint8_t *writeBuff,uint32_t numByteToWrite)
{
SPI_Write_Enable();
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
//发送擦除命令
SPI_FLASH_Send_Byte(WRITE_DATA);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>>16)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>> 8)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte(addr&0XFF);
while(numByteToWrite--)
{
SPI_FLASH_Send_Byte(*writeBuff);
writeBuff++;
}
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
SPI_WaitForWriteEnd();
}
单单向W2564芯片写入数据，是无法验证是否数据正确的，将芯片里的数据读取出比对验证是否正确了。读取W25Q64芯片内容的指令为Read Data(0X03),时序图和代码如下：
//读取FLASH的内容
void SPI_Read_Datas(uint32_t addr,uint8_t *readBuff,uint32_t numByteToRead)
{
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
//发送擦除命令
SPI_FLASH_Send_Byte(READ_DATA);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>>16)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte((addr>> 8)&0XFF);
SPI_FLASH_Send_Byte(addr&0XFF);
while(numByteToRead--)
{
*readBuff = SPI_FLASH_Send_Byte(DUMMY);
readBuff++;
}
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
}
每次对W25Q64芯片操纵都要等待FLASH内部时序操作完成，否则W25Q64芯片还没有完成上一个操作就要进行下一个操作。时序图和代码如下：
//等待FLASH内部时序操作完成
void SPI_WaitForWriteEnd(void)
{
uint8_t status_reg = 0;
//片选使能
FLASH_SPI_CS_LOW;
//发送查询是否忙碌命令
SPI_FLASH_Send_Byte(READ_STATUS);
do{
status_reg = SPI_FLASH_Send_Byte(DUMMY);
}while((status_reg & 0x01) == 1); // 为1则为忙碌,继续发送DUMMY，直到status_reg为0
FLASH_SPI_CS_HIGHT;
}
main函数
void FLASHMODE1(){
uint16_t i;
SPI_Erase_Sector(0);
for(i=0;i<10;i++)
{
writeBuff[i] = i;
}
SPI_Write_Datas(0,writeBuff,10);
SPI_Read_Datas(0,readBuff,4096);
for(i=0;i<4096;i++)
{
UsartPrintf(USART_DEBUG,"0x%X ",readBuff[i]);
if(i%10 == 0)
{
UsartPrintf(USART_DEBUG,"\r\n");
}
}
}
int main(){
uint32_t id;
uint16_t i;
Usart1_Init(115200);
LED_GPIO_Config();
UsartPrintf(USART_DEBUG,"\r\n这是一个SPI—FLASH读写实验\r\n");
SPI_FLASH_Init();
id = SPI_Read_ID();
UsartPrintf(USART_DEBUG,"\r\n id = 0x%X\r\n",id);
FLASHMODE1();
while(1)
{
}
}
代码逻辑讲解
程序在初始化完成后，首先把W25Q64芯片的一个扇区擦除，然后向被擦除的扇区写入10个数字（从0到9），最后将扇区里的所有数据读取出来
实验效果：
可能很多人都不是很想去阅读英语文档，但通过软件翻译出来译文总是会有偏差的，而一名优秀的程序员阅读英文文档应该是必备技能。英语基础差不是理由，反复多读或慢慢翻译几遍总会有收获的。
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