STM32标准库——（17）硬件SPI读写W25Q64-编程知识

1.SPI外设简介

时钟频率就是sck波形的频率，一个sck时钟交换一个bit，所以时钟频率一般体现的是传输速度，单位是Hz或者bit/s，那这里的时钟频率是fPCLK除以一个分频系数，分频系数可以配置为2或4或8、16、32、64、128、256，所以可以看出来，spi的时钟其实就是由pclk分频得来的，pclk就是外设时钟，APB2的pclk就是72MHz，APB1的pclk是36MHz，比如我们的spi1是APB2的外设，pclk等于72MHz，那它的spi时钟频率最大就是只进行二分频=36MHz，像我们之前I2C的频率最大就只有400KHz，所以这里spi的最大频率比I2C快了90倍，然后这里频率有些注意事项，一是这个频率数值并不是任意指定的，它只能是pclk执行分频后的数值就只有这八个选项，最低频率是pclk的256分频，二是spi1和spi2 挂载的总线是不一样的，spi1挂载在APB2，pclk是72MHz，spi1挂载在APB1，pclk是36MHz，所以同样的配置，spi1的时钟频率要比spi2的大一倍。

2.SPI框图

首先左上角核心部分就这个移位寄存器，右边的数据低位，一位一位的从mosi移出去，然后miso的数据一位一位的移入到左边的数据高位，显然移位寄存器应该是一个右移的状态，所以目前图上表示的是低位先行的配置，对应右下角有一个LSBFIRST的控制位，这一位可以控制是低位先行还是高位先行，手册里寄存器描述可以查一下，这里LSBFIRST帧格式，给0先发送msb，msb就是高位的意思，给1先发送lsb ，lsb就是低位的意思，那ppt这里目前的状态LSBFIRST的应该是1，低位先行，如果LSBFIRST给零高位先行的话，这个图还要变动一下，就是移位寄存器变为左移，输出，从左边移出去，输入，从右边移进来，这样才符合逻辑，然后继续看左边这一块，这里画了个方框，里面把mosi和miso做了个交叉，这一块主要是用来进行主从模式引脚变换的，我们这个spi外设可以做主机，也可以做从机，做主机时这个交叉就不用，mosi为mo，主机输出，miso为mi，主机输入，这是主机的情况，如果我们stm32作为从机的话，mosi为si，从机输入，这时他就要走交叉的这一路，输入到移位寄存器，同理miso为so，从机输出，这时输出的数据也走交叉的这一路输出到miso。
接下来上下两个缓冲区，就还是我们熟悉的设计，这两个缓冲区实际上就是数据寄存器DR，下面发送缓冲区就是发送数据寄存器TDR，上面接收缓冲区就是接收数据寄存器RDR，和串口那里一样，TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR，写入DR时数据从这里写入到TDR，读取DR时，数据从这里从RDR读出，数据寄存器和移位寄存器打配合，可以实现连续的数据流，具体流程就是比如我们需要连续发送一批数据，第一个数据写入到TDR，当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据会立刻转入移位寄存器，开始移位，这个转入时刻，会置状态寄存器的TXE为1，表示发送寄存器空，当我们检查TXE置1后，紧跟着下一个数据就可以提前写入到TDR里侯着了，一旦上个数据发完，下一个数据就可以立刻跟进，实现不间断的连续传输，然后移位寄存器，这里一旦有数据过来了，它就会自动产生时钟将数据移出去，在移出的过程中，miso的数据也会移入，一旦数据移出完成，数据移入是不是也完成了，这时移入的数据就会整体的从移位计算器转入到接收缓冲区RDR，这个时刻会置状态寄存器器的RXNE为1，表示接收计寄存器器非空，当我们检查RXNE置1后，就要尽快把数据从RDR读出来，在下一个数据到来之前，读出RDR就可以实现连续接收，否则如果下一个数据已经收到了，上个数据还没从RDR读出来，那RDR的数据就会被覆盖，就不能实现连续的数据流了。和之前串口、I2C的都差不多的，当然这三者也是有一些区别的，比如这里spi全双工发送和接收同步进行，所以它的数据寄存器发送和接收是分离的，而移位寄存器发送和接收可以共用；然后看一下前面I2C的框图，因为I2C是半双工，发送和接收不会同时进行，所以它的数据寄存器和移位寄存器，发送和接收都可以是共用的；串口是全双工，并且发送和接收可以异步进行，所以这就要求它的数据寄存器，发送和接收是分离的，移位寄存器发送和接收也得是分离的。
接着后面这些通信电路和各种寄存器，都是一些黑盒子电路，如果你要具体研究，可以看一下这些位的寄存器描述，我挑几个重点的讲一下，比如LSBFIRST的刚才说过，决定高位先行还是低位先行，spe是spi使能，就是SPI_Cmd函数配置的位，BR配置波特率，就是sck时钟频率，MSTR(Master)，配置主从模式，1是主模式，0是从模式，我们一般用主模式，cpul和cpha，这个之前讲过，用来选择spi的四种模式，然后这里sr状态计算器，最后两个txe发送寄存器空，rxne接收寄存器非空，这两个比较重要，我们发送接收数据的时候需要关注这两位，最后CR2寄存器就是一些使能位了,比如中断使能dma使能等。
最后这里还有一个NSS引脚，ss就是从机选择，低电平有效，所以这里前面加了个n，这个nss和我们想象的从机选择可能不太一样，我们想象的应该是用来指定某个从机对吧，但是根据手册里的描述,我也研究了一下，这里的nss设计，可能更偏向于实现这里说的多主机模型，总的来说啊，这个NSS我们并不会用到，SS引脚我们直接使用一个gpio模拟就行，因为ss引脚很简单，就置一个高低电平就行了，而且从机的情况下，ss还会有多个，这里硬件的nss也完成不了我们想要的功能，那这个nss是如何实现多主机切换的功能呢，假如这里有三个stm32设备，我们需要把这三个设备的nss全都连接在一起，首先这个nss可以配置为输出或者输入，当配置为输出时，可以输出电平告诉别的设备，我现在要变为主机，你们其他设备都给我变从机，不要过来捣乱，当配置为输入时，可以接收别设备的信号，当有设备是主机拉低nss后,我就无论如何也变不成主机了，这就是它的作用，然后内部电路的设计，当这里这个ssoe等于1时，nss作为输出引脚，并在当前设备变为主设备时，给nss输出低电平，这个输出的低电平，就是告诉其他设备，我现在是主机了，当主机结束后，ssoe要清0，nss变为输入，这时输入信号就会跑到右边这里，这个数据选择器ssm位决定选择哪一路，当选择上面一路时是硬件nss模式，也就是说这时外部如果输入了低电平，那当前的设备就进入不了主模式了，因为nss低电平肯定是，外部已经有设备进入了主模式，他已经提前告诉我他是主模式了，我就不能再跟大家抢了，当数据选择器选择下面一路时，是软件管理nss输入，nss是1还是2，由这一位SSI来决定，这个就是nss实现多主机的思路，但这个设计是nss作为多从机选择的作用消失了，揪出所有人的小辫子之后，主机发送的数据就只能是广播发送给所有人的，如果想实现指定设备通信，可能还需要再加入寻址机制。

3.SPI基本结构

4.主模式传输

4.1 连续传输

第一行是sck时钟线，这里cpol等于1，cpha等于1，示例使用的是spi模式三，所以sck默认是高电平，然后在第一个下降沿mosi和miso移出数据，之后上升沿引入数据，依次这样来进行，那下面第二行是mosi和miso输出的波形，跟随sck时钟变化，数据位依次出现，这里从前到后依次出现的是b0b1一直到b7 ，所以这里示例演示的是低位先行的模式啊，实际spi高位先行用的多一些，最后第三行是txe发送寄存器空标志位，下面发送缓冲器括号写入SPI_DR，实际上就是这里的TDR然后bsy(busy)是由硬件自动设置和清除的，当有数据传输时，busy置1那上面红框这部分演示的就是输出的流程和现象，然后下面红框是输入的流程和现象，第一个是miso/mosi的输入数据，之后是RXNE接收数据寄存器非空标志位最后是接收，缓冲器读出SPI_DR，显然这里就是RDR。
首先ss置低电平开始时序，这个没画但是必须得有的，在刚开始时TXE为1，表示TDR空可以写入数据开始传输，然后下面指示的第一步就是软件写入0xf1至SPI_DR，0xf1就是要发送的第一个数据，之后可以看到写入之后TDR变为0xf1 ，同时txe变为0，表示tdr已经有数据了，那此时dr是等候区，移位寄存器才是真正的发送区，移位寄存器刚开始肯定没有数据，所以在等候区TDR里的f1 ，就会立刻转入移位寄存器开始发送转入瞬间置txe标志位为1，表示发送寄存器空，然后移位寄存器有数据了，波形就自动开始生成，当然我感觉这里画的数据波形时机可能有点早，应该是在这个时刻b0的波形才开始产生，在这之前数据还没有转入移位进器，所以感觉b0出现的可能过早了，不过这个也不影响我们理解，大家知道这意思就行好了，这样数据转入移位寄存器之后，数据F1的波形就开始产生了，在移位产生f1波形的同时，等候区tdr是空的，为了移位完成时，下一个数据能不间断的跟随，这里我们就要提早把下一个数据写入到TDR里等着了，所以下面只是第二步的操作，是写入F1之后，软件等待TXE等于1，在这个位置，一旦tdr空了，我们就写入F2至SPI_DR，写入之后可以看到tdr的内容就变成F2了，也就是把下一个数据放到tdr里，后者之后的发送流程也是同理，最后在这里如果我们只想发送三个数据，F3转入移位寄存器之后，TXE等于1，我们就不需要继续写入了，txe之后一直是1，注意在最后一个TXE等于1之后，还需要继续等待一段时间，f3的波形才能完整发送完，等波形全部完整发送之后，busy的标志由硬件清除，这才表示波形发送完成了，那这些就是发送的流程，然后继续看一下下面接收的流程，SPI是全双工，发送的同时还有接收，所以可以看到在第一个字节发送完成后，第一个字节的接收也完成了，接收到的数据1是A1 ，这时移位寄存器的数据整体转入RDR，RDR随后存储的就是A1 ，转入的同时按RXNE标志位也置1，表示收到数据了，我们的操作是下面这里写的，软件等待RXNE等于1，=1表示收到数据了，然后从SPI_DR也是RDR读出数据A1 ，这是第一个接收到的数据，接收之后软件清除RXNE标志位，然后当下一个数据2收到之后，RXNE重新置1，我们监测到RXNE等于1时就继续读出RDR，这是第二个数据A2 ，最后在最后一个字节时序完全产生之后，数据三才能收到，所以数据3，直到这里才能读出来，然后注意,一个字节波形收到后，移位寄存器的数据自动转入RDR，会覆盖原有的数据，所以我们读出rdr要及时，比如A1这个数据收到之后，最迟你也要在这里把它读走，否则下一个数据A2覆盖A1，就不能实现连续数据流的接收了。

4.2 非连续传输

配置还是spi模式三，sck默认高电平，我们想发送数据时如果检测到TXE等于1了，TDR为空，就软件写入0xF1至SPI_DR，这时TDR的值变为F1，TXE变为0，目前移位寄存器也是空，所以这个F1会立刻转入移位寄存器，开始发送，波形产生并且，TXE置回1，表示你可以把下一个数据放在tdr里侯着了，但是现在区别就来了，在连续传输这里一旦，TXE等于1了，我们就会把下个数据写到tdr里侯着这样是为了连续传输数据衔接更紧密，但是刚才说了，这样的话，流程就比较混乱，程序写起来比较复杂，所以在非连续传输这里，TXE等于1了，我们不着急把下一个数据写进去，而是一直等待，等第一个字节时序结束，在这个位置时序结束了，意味着接收第一个字节也完成了，这时接收的RXNE会置一，我们等待RXNE置1后，先把第一个接收到的数据读出来，之后再写入下一个字节数据，也就是这里的软件等待TXE等于1，但是较晚写入0xf2SPI_DR，较晚写入TDR后，数据二开始发送，我们还是不着急写数据三，等到了这里，先把接收的数据二收着，再继续写入数据3，数据3时序结束后，最后再接收数据三置换回来的数据，你看按照这个流程的话，我们的整个步骤就是第一步等待TXE为一，第二步写入发送的数据至TDR，第三步等待RXNE为一，第四步读取RDR接收的数据，之后交换第二个字节，重复这四步，那这样我们就可以把这四部分装到一个函数，调用一次交换一个字节，这样程序逻辑是不是就非常简单了，和之前软件spi的流程基本上是一样的，我们只需要稍作修改，就可以把软件spi改成硬件spi，那非连续算出缺点，就是在这个位置没有及时把下一个数据写入TDR侯着，所以等到第一个字节时序完成后，第二个字节还没有送过来，那这个数据传输就会在这里等着，所以这里时钟和数据的时序，在字节与字节之间会产生间隙，拖慢了整体数据传输的速度这个间隙在sck频率低的时候影响不大，但是在sck频率非常高时隙拖后腿的现象就比较严重了。

5.软/硬件波形对比

6.常用API

6.1 SPI_I2S_SendData

/*** @brief  Transmits a Data through the SPIx/I2Sx peripheral.* @param  SPIx: where x can be*   - 1, 2 or 3 in SPI mode *   - 2 or 3 in I2S mode* @param  Data : Data to be transmitted.* @retval None*/
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data)
功能:通过外设 SPIx 发送一个数据
参数:SPIx：x 可以是 1 或者 2，来选择 SPI 外设Data: 待发送的数据
返回值:无

6.2 SPI_I2S_ReceiveData

/*** @brief  Returns the most recent received data by the SPIx/I2Sx peripheral. * @param  SPIx: where x can be*   - 1, 2 or 3 in SPI mode *   - 2 or 3 in I2S mode* @retval The value of the received data.*/
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx)
功能:返回通过 SPIx 最近接收的数据
参数:SPIx：x 可以是 1 或者 2，来选择 SPI 外设
返回值:接收到的字

6.3 SPI_I2S_GetFlagStatus

/*** @brief  Checks whether the specified SPI/I2S flag is set or not.* @param  SPIx: where x can be*   - 1, 2 or 3 in SPI mode *   - 2 or 3 in I2S mode* @param  SPI_I2S_FLAG: specifies the SPI/I2S flag to check. *   This parameter can be one of the following values:*     @arg SPI_I2S_FLAG_TXE: Transmit buffer empty flag.*     @arg SPI_I2S_FLAG_RXNE: Receive buffer not empty flag.*     @arg SPI_I2S_FLAG_BSY: Busy flag.*     @arg SPI_I2S_FLAG_OVR: Overrun flag.*     @arg SPI_FLAG_MODF: Mode Fault flag.*     @arg SPI_FLAG_CRCERR: CRC Error flag.*     @arg I2S_FLAG_UDR: Underrun Error flag.*     @arg I2S_FLAG_CHSIDE: Channel Side flag.* @retval The new state of SPI_I2S_FLAG (SET or RESET).*/
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG)
功能:检查指定的 SPI 标志位设置与否
参数:SPIx：x 可以是 1 或者 2，来选择 SPI 外设SPI_I2S_FLAG：待检查的 SPI 标志位
返回值:SPI_FLAG 的新状态（SET 或者 RESET）

6.4 SPI_I2S_ClearFlag

/*** @brief  Clears the SPIx CRC Error (CRCERR) flag.* @param  SPIx: where x can be*   - 1, 2 or 3 in SPI mode * @param  SPI_I2S_FLAG: specifies the SPI flag to clear. *   This function clears only CRCERR flag.* @note*   - OVR (OverRun error) flag is cleared by software sequence: a read *     operation to SPI_DR register (SPI_I2S_ReceiveData()) followed by a read *     operation to SPI_SR register (SPI_I2S_GetFlagStatus()).*   - UDR (UnderRun error) flag is cleared by a read operation to *     SPI_SR register (SPI_I2S_GetFlagStatus()).*   - MODF (Mode Fault) flag is cleared by software sequence: a read/write *     operation to SPI_SR register (SPI_I2S_GetFlagStatus()) followed by a *     write operation to SPI_CR1 register (SPI_Cmd() to enable the SPI).* @retval None*/
void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG)
功能:清除 SPIx 的待处理标志位
参数:SPIx：x 可以是 1 或者 2，来选择 SPI 外设SPI_I2S_FLAG：待清除的 SPI 标志位
返回值:无

7.接线图

8.相关代码

8.1 MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header/*** 函    数：SPI写SS引脚电平，SS仍由软件模拟* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平*/void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SS引脚的电平
}/*** 函    数：SPI初始化* 参    数：无* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，实现SS、SCK、MOSI和MISO引脚的初始化*/
void MySPI_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	//开启SPI1的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA4引脚初始化为推挽输出 SS是软件控制的输出信号 配置通用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出 MOSI和SCK是外设输出的控制GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA6引脚初始化为上拉输入 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;		//波特率分频，选择128分频SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;			//SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0 1Edge代表CPHA=0 2Edge代表CPHA=1SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;				//SPI极性，选择低极性 这里46和45配合使用模式0 都需要配置低电平SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;				//CRC多项式，暂时用不到，给默认值7SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//数据宽度，选择为8位SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;		//先行位，选择高位先行 49和48行常用8位高位先行 在SPI外设简介提到SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;		//方向，选择2线全双工SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;			//模式，选择为SPI主模式SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;				//NSS，选择由软件控制SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);MySPI_W_SS(1);
}/*** 函    数：SPI起始* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_SS(0);				//拉低SS，开始时序
}/*** 函    数：SPI终止* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_SS(1);				//拉高SS，终止时序
}/*** 函    数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0* 参    数：ByteSend 要发送的一个字节* 返 回 值：接收的一个字节*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);		//等待发送数据寄存器空SPI_I2S_SendData(SPI1,ByteSend);								//写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);	//等待接收数据寄存器非空return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);								//读取接收到的数据并返回
}

8.2 MySPI.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_Hvoid MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);#endif

8.3 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MID;							//定义用于存放MID号的变量
uint16_t DID;							//定义用于存放DID号的变量uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};	//定义要写入数据的测试数组
uint8_t ArrayRead[4];								//定义要读取数据的测试数组int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();						//OLED初始化W25Q64_Init();						//W25Q64初始化/*显示静态字符串*/OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");OLED_ShowString(2, 1, "W:");OLED_ShowString(3, 1, "R:");	/*显示ID号*/W25Q64_ReadID(&MID, &DID);			//获取W25Q64的ID号OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);		//显示MIDOLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);		//显示DID/*W25Q64功能函数测试*/W25Q64_SectorErase(0x000000);					//扇区擦除W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);	//将写入数据的测试数组写入到W25Q64中W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);		//读取刚写入的测试数据到读取数据的测试数组中/*显示数据*/OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);		//显示写入数据的测试数组OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);			//显示读取数据的测试数组OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);while (1){}
}