016 - STM32学习笔记 - SPI读写FLASH（一）

news/2025/1/10 19:41:32/

016 - STM32学习笔记 - SPI访问Flash（一）

之前csdn的名称是宥小稚，后来改成放学校门口见了，所以前面内容看到图片水印不要在意，都是自己学习过程中整理的，不涉及版权啥的。

1、什么是SPI？

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。

在这里插入图片描述

在SPI总线中，一共有四条线：

SCLK：同步时钟信号线，用于通讯数据同步。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，通讯速率由最低速率设备决定。

CS：片选信号线，或设备选择线，也称为SS、NSS，当多个SPI从机设备与SPI主机相连时，设备的其他信号线SCLK、MOSI、MISO同时并联到相同的SPI总线上，无论多少个从机设备，这三条总线都是公用的，唯独CS线都是从机设备与主机设备的一对一连接，SPI总线上有多少从机设备，就有多少根CS线。I2C中主机通过设备地址来寻址进行通讯；SPI中没有设备地址，只使用CS信号线进行片选，当主机要与某个从机设备进行通信时，则将该从机设备的CS信号线设置为低电平，就表示该设备被选中，接着就可以开始通讯了，当通讯结束后，CS线被拉高，则表示结束信号。

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，数据方向为主机到从机。

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，数据方向为从机到主机。

2、SPI协议

在这里插入图片描述

SPI通讯过程

在SPI通讯过程中，CS、SCK、MOSI信号都是由主机产生，MISO信号是由从机产生，其中MOSI和MISO信号只有在CS片选信号为低电平时有效，在SCLK每个信号周期，MOSI和MISO都可以传输一位数据，因此SPI总线可以同时收发数据。

a、通讯起始与结束信号：

根据SPI通讯过程的图来看，当SPI总线无通信时，CS片选信号线一直保持高电平，当开始通信时，CS信号线跳变为低电平，此时SCLK、MOSI、MISO信号线上的信号才有效，通信结束后，CS跳变为高电平，表示此次通信结束了。

b、有效数据：

在SPI中，当CS片选信号低电平时，MOSI和MISO数据线在SCLK的每个时钟周期都会传输一位数据，并且MOSI和MISO上的信号时同时进行传输的，MSB（高位）先行或LSB（地位）先行并没有硬性规定，但要保证两个SPI设备之间使用同样的协定，就跟上图一样，采用MSB先行模式了。

c、CPOL/CPHA

下面要学习关于SPI的四种通讯模式，上图中的时序时SPI的其中一种通讯模式，四种通讯模式的主要区别在于总线空闲时，SCLK的时钟状态以及数据采样时刻。在此之前先看一下CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)。

CPOL：是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的的电平信号（就是CS片选信号是高电平时，SCLK的状态），当CS信号线为高电平时，CPOL = 0，SCLK则为低电平；CPOL = 1，SCLK则为高电平；

CPHA：时钟相位实际指的就是数据采样的时间，当CPHA = 0的时候，采样信号在SCLK时钟线的奇数边沿，当CPHA = 1的时候，采样信号则是在SCLK时钟线的偶数边沿。

在这里插入图片描述

CPHA = 0

在这里插入图片描述

CPHA = 1

所以根据CPOL和CPHA的不同状态可以组合出四种模式，如下表

模式CPOLCPHA空闲时SCLK采样时刻
000低电平奇数边沿
101低电平偶数边沿
210高电平奇数边沿
311高电平偶数边沿

在实际应用中，模式0 和 模式3 用的比较多。

3、SPI框图

在这里插入图片描述

a、SPI引脚

前面已经介绍过SPI的四个引脚了，这里不多做赘述，主要看一下四个引脚在F429里面的分布，F429中，SPI一共由6组，其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6挂载在APB2总线上，最高通信速率可以达到45MBtis/s，SPI2、SPI3是挂载在APB1上，最高通信速率为22.5MBtis/s。

在这里插入图片描述

引脚SPI1 SPI2 SPI3 SPI4 SPI5 SPI6
MOSIPA7/PB5PB15/PC3/PI3PB5/PC12/PD6PE6/PE14PF9/PF11PG14
MISOPA6/PB4PB14/PC2/PI2PB4/PC11PE5/PE13PF8/PH7PG12
SCKPA5/PB3PB10/PB13/PD3PB3/PC10PE2/PE12PF7/PH6PG13
NSSPA4/PA15PB9/PB12/PI0PA4/PA15PE4/PE11PF6/PH5PG8
SPI引脚表

b、时钟控制逻辑

SPI的时钟信号由SCLK线发出，内部通过波特率发生器根据控制寄存器CR1中的BR[2:0]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCLK引脚输出的频率。

在这里插入图片描述

BR[2:0]分频结果（SCLK频率）BR[2:0]分频结果（SCLK频率）
000fpclk/2100fpclk/32
001fpclk/4101fpclk/64
010fpclk/8110fpclk/128
011fpclk/16111fpclk/256

c、数据控制逻辑

在SPI框图中可以看到，SPI的MOSI和MISO都是连接到数据移位寄存器上，而数据移位寄存器中的数据，来源于接收缓冲区、发送缓冲区以及MOSI和MISO线，向外发送数据时，数据向外发送时，数据移位寄存器将“发送缓冲区”的数据作为数据源，将数据按位发送出去；接收数据时，数据移位寄存器从MISO数据线上将数据按位通过“数据移位寄存器”采集到“接收缓冲区”。

此处需要注意，数据帧的长度可以通过控制寄存器CR1的DFF[11]位配置成8位或16位模式，通过配置“LSBFIRST [7]位可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

4、SPI结构体

SPI结构体声明在stm32f4xx_spi.h中，内容如下：

typedef struct
{uint16_t SPI_Direction;           /* SPI单、双向模式 */uint16_t SPI_Mode;                /* SPI主/从机模式 */uint16_t SPI_DataSize;            /* SPI数据帧长度 */uint16_t SPI_CPOL;                /* 时钟极性CPOL设置，可选高/低电平 */uint16_t SPI_CPHA;                /* 时钟相位CPHA设置，可选奇/偶边沿采样 */uint16_t SPI_NSS;                 /* 设置CS引脚由SPI硬件控制还是软件控制 */uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;   /* 设置时钟分频因子，fpclk/分频=fsck */uint16_t SPI_FirstBit;            /* 设置MSB/LSB先行 */uint16_t SPI_CRCPolynomial;       /* 设置CRC校验的表达式 */
}SPI_InitTypeDef;

a、SPI单双向选择（SPI_Direction）：

在固件库中提供了以下四种模式

  • 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)

b、SPI片选信号控制选择（SPI_NSS）

可选有两种模式：

  • 硬件模式(SPI_NSS_Hard )
  • 软件模式(SPI_NSS_Soft )

其中硬件模式中的片选信号是由SPI硬件自动产生，而软件模式则是由用户将GPIO的引脚电平拉高或者拉低产生信号，常用的为软件模式。

5、编程测试

在这里插入图片描述

在F429的核心板上可以看到，PF6、7、8、9引脚分别对应SPI的CS（片选）、CLK（时钟）、MOSI（输入）、MISO（输出）功能，另外Flash还有两个引脚WP（写保护控制）和HOLD（暂停通讯控制），当WP为低电平时，禁止数据写入，HOLD为低电平时，通讯暂停，MISO输出为高阻态，时钟和输入无效，这里用不到，所以直接接电源拉成高电平。

相关宏定义，在bsp_spi_flash.h中

//SPI 号及时钟初始化函数
#define FLASH_SPI                       SPI5									//根据SPI引脚表可以看到PF6-9都是挂载在SPI5下
#define FLASH_SPI_CLK                   RCC_APB2Periph_SPI5						 //SPI5时钟
//SCK 引脚PF7
#define FLASH_SPI_SCK_PIN               GPIO_Pin_7
#define FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT         GPIOF
#define FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK          RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE         GPIO_PinSource7
#define FLASH_SPI_SCK_AF                GPIO_AF_SPI5
//MISO 引脚PF8
#define FLASH_SPI_MISO_PIN              GPIO_Pin_8
#define FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT        GPIOF
#define FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK         RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE        GPIO_PinSource8
#define FLASH_SPI_MISO_AF               GPIO_AF_SPI5
//MOSI 引脚PF9
#define FLASH_SPI_MOSI_PIN              GPIO_Pin_9
#define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT        GPIOF
#define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK         RCC_AHB1Periph_GPIOF
#define FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE        GPIO_PinSource9
#define FLASH_SPI_MOSI_AF               GPIO_AF_SPI5
//CS(NSS)引脚PF6
#define FLASH_CS_PIN                    GPIO_Pin_6
#define FLASH_CS_GPIO_PORT              GPIOF
#define FLASH_CS_GPIO_CLK               RCC_AHB1Periph_GPIOF#define SPI_FLASH_CS_LOW()              {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRH=FLASH_CS_PIN;} 	/*控制CS片选信号输出低电平*/
#define SPI_FLASH_CS_HIGH()             {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRL=FLASH_CS_PIN;}	/*控制CS片选信号输出高电平*/

相关GPIO配置及SPI的配置和初始化

void SPI_GPIO_Config(void)
{GPIO_InitTypeDef SPI_GPIO_Initstructure;SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;/*  SPI四个引脚时钟使能，只要是外设，第一步一定是开启时钟！！！ */RCC_AHB1PeriphClockCmd(FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK | FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);/* 将SCLK、MISO、MOSI引脚都连接到复用功能，CS片选信号由软件控制，不需要 */GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,FLASH_SPI_SCK_AF);GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,FLASH_SPI_MISO_AF);GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,FLASH_SPI_MOSI_AF);/* 配置SCLK信号引脚 */SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;/* 初始化SCLK引脚 */GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &SPI_GPIO_Initstructure);/* 配置并初始化MISO引脚 */SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &SPI_GPIO_Initstructure);/* 配置并初始化MOSI引脚 */SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &SPI_GPIO_Initstructure);/* 配置CS引脚为输出模式并初始化，这里片选由软件自行控制，因此此处模式选择为输出 */SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;SPI_GPIO_Initstructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &SPI_GPIO_Initstructure);/* 将CS片选信号置位高电平，非选中状态 */SPI_FLASH_CS_HIGH();/*------------------------以下为SPI配置内容------------------------*//* SPI时钟使能，只要是外设，第一步一定是开启时钟！！！ *//* PF6-9是挂载在SPI5上，因此使能SPI5的时钟 */RCC_APB2PeriphClockCmd(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);/* 配置SPI为双线全双工 */SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;/* 配置SPI为主机模式 */SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;/* 设置数据帧为8bit */SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;/* 设置时钟极性为高电平 */SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;/* 设置时钟相位为偶采样 */SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;/* 设置片选信号由软件控制 */SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;/* 设置为2分频 *//*F429的主频是180MHz，那么APB2的时钟fpclk1就是90MHz，而SP1、4、5、6最高频率为45MHz，因此需要2分频；同理如果要用到SPI2、3,最高频率为22.5MHz，	而SPI2、3挂载在AP1，总线时钟为45MHz，如果要达到最高速度，同样要2分频需要注意的是，此处SPI的最大速度取决于总线中设备通讯速率最低的设备 */SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;/* 设置MSB先行 */SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;/* 设置CRC校验多项式，保证通信质量，大于1就行 */SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;/* 初始化SPI */SPI_Init(FLASH_SPI, &SPI_InitStructure);/* 使能 FLASH_SPI */SPI_Cmd(FLASH_SPI, ENABLE);
}

首先测试一下通过SPI读取FALSH的Device_ID号，根据FALSH手册，可以看到设备ID是0xEF4018，如下图

在这里插入图片描述

另外在看一下SPI的指令表，在指令表中，可以看到查看FALSH的指令为0x9F：

在这里插入图片描述

如此根据指令表编写读取FALSH的设备ID，可以看到，读取设备ID时，需要下发指令0x9F，之后Byte2-Byte4中的内容组合则为设备ID，时序如下图：

在这里插入图片描述

u32 SPI_FLASH_ReadID(void)
{u8 temp[3] = {0x00,0x00,0x00};/* 开始通讯：拉低片选信号CS */SPI_FLASH_CS_LOW();/* 发送 JEDEC 指令，读取 ID */SPI_FLASH_SendByte(0x9F);/* 读取一个字节数据 */temp[0] = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* 读取一个字节数据 */temp[1] = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* 读取一个字节数据 */temp[2] = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* 停止通讯：拉高片选信号CS */SPI_FLASH_CS_HIGH();/* 组合数据返回 */return (temp[0] << 16) | (temp[1] << 8) | temp[2];
}

这段程序中，如果直接使用库函数SPI_I2S_ReceiveData去读取数据的话，发现读取回来的数据不是我们要的0xEF4018，因为在每次数据发送完成后，需要等待发送缓冲区为空时，才可以发送下一个要发送的数据，因此跟I2C的一样，我们需要去检测一下发送缓冲区是否为空，当发送缓冲区为空时，硬件会将TXE标志置1，因此需要调用SPI_GetFlagStatus去获取TXE状态，为此在这里实现SPI_FLASH_SendByte来尝试读取设备ID：

u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 等待发送缓冲区为空， TXE 事件 */while (SPI_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);}/* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */SPI_I2S_SendData(FLASH_SPI, byte);SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 等待接收缓冲区非空， RXNE 事件 */while (SPI_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);}/* 读取数据寄存器，获取接收缓冲区数据 */return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);
}

实现方法有点类似I2C，代码大家看一下I2C那节的内容就能理解，关于超时检测和SPI_TIMEOUT_UserCallback回调函数的实现也可以看一下I2C那节的内容。

到这里在到main函数中测试一下：

#include "stm32f4xx.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "bsp_usart_dma.h"
#include "bsp_spi_flash.h"
#include <stdio.h>int main(void)
{u32 device_id = 0;LED_Config();DEBUG_USART1_Config();SysTick_Init();  SPI_GPIO_Config();printf("这是SPI读取FLASH_Device_ID的测试实验！\n");device_id = SPI_FLASH_ReadID();printf("device_id = 0x%X\n",device_id);while(1){if(device_id == 0xef4018){LED_G_TOGGLEDelay_ms(1000);}else{LED_R_TOGGLEDelay_ms(1000);}}
}

在这里插入图片描述

OK，这节内容学习完毕！

根据上述内容，总给下SPI的操作顺序：

1、配置SPI对应的四个GPIO；（只要是外设，第一步一定要先打开时钟！！！）

2、将三个GPIO连接到SPI复用功能（CS引脚我们用软件自己控制，就不需要连接了！）

3、配置SPI相关参数（模式按照模式0或者模式3来配置，速度按照SPI最大速度来执行，记得要打开SPI的时钟！）

4、编写发送和读取数据的功能函数。


http://www.ppmy.cn/news/799258.html

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