剖析STM32F103读写W25Q64

最近使用STM32F103+W25Q64+USB+FATFS做了一个U盘设备。程序已经调试完成了，现在重新梳理一下知识再做一个记录。
STM32F103+USB是根据官方demo修改的。USB大容量存储器的移植在下一篇文章介绍。本篇文章主要介绍W25Q64和驱动函数。
W25Q64容量是64Mbit的flash，64Mbit = 8MByte。
其内部组织关系如下：
W25Q64内部分为128个块(Block)，每个块的大小是64K字节。 计算方式： (81024)K/128 = 64K字节。
每个块分为16个扇区(Sector)，每个扇区的大小是4K字节。计算方式：64K/16 = 4K字节。
每个扇区分为16页(Page)，每个页的大小是256个字节。计算方式：(41024)Byte/16 = 256Byte。
W25Q64和STM32的接线方式如下

PB12是SPI的片选接W25Q64的片选，程序中的片选是使用通用IO控制的。
PB13是SPI的时钟输出接W25Q64的时钟。
PB14是SPI的主机输入从机输出，接W25Q64的DO。
PB15是SPI的主机输出从机输入，接W25Q64的DI。
STM32的SPI初始化。

/*******SPI初始化函数******/
void spi_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;  //CLK管脚GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;    //CS管脚GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                   //SPI主机模式SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;         //8bit数据位SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                       //CPOL为高  SCK空闲为高SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                  //偶数边沿采集        SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                          //CS软件控制SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;//fpclk 2分频SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;       //高位先行SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);//使能SPI2
}

上面关于SPI的配置就不细说了，本文的重点是介绍W25Q64。
通过SPI发送一个数据读取一个数据

/******通过SPI总线发送一个字节的数据******/
static uint8_t spi_flash_send_byte(uint8_t byte)
{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);SPI_I2S_SendData(SPI2, byte);while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);
}

此函数是后续一切函数的基础。我们先来看一下W25Q64的命令相关的函数。

#define W25X_WriteEnable           0x06
#define W25X_WriteDisable             0x04
#define W25X_ReadStatusReg          0x05
#define W25X_WriteStatusReg         0x01
#define W25X_ReadData                   0x03
#define W25X_FastReadData             0x0B
#define W25X_FastReadDual             0x3B
#define W25X_PageProgram              0x02
#define W25X_BlockErase               0xD8
#define W25X_SectorErase              0x20
#define W25X_ChipErase                0xC7
#define W25X_PowerDown                0xB9
#define W25X_ReleasePowerDown       0xAB
#define W25X_DeviceID                   0xAB
#define W25X_ManufactDeviceID       0x90
#define W25X_JedecDeviceID          0x9F
#define WIP_Flag                  0x01  /* 忙标志 */
#define Dummy_Byte                0xFF
/********SPI_FLASH进入掉电模式********/
void spi_flash_powerdown(void)
{ SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_PowerDown);//发送掉电命令SPI_FLASH_CS_HIGH();
}
/********SPI_FLASH从掉电模式唤醒********/
void spi_flash_wakeup(void)
{SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_ReleasePowerDown);//发送唤醒命令SPI_FLASH_CS_HIGH();
}
/********读取FLASH器件ID******/
uint32_t spi_flash_read_deviceid(void)
{uint32_t Temp = 0;SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_DeviceID);spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);Temp = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_CS_HIGH();return Temp;
}
/*******读取jedecid*******/
uint32_t spi_flash_read_jedecid(void)
{uint32_t temp = 0, temp0 = 0, temp1 = 0, temp2 = 0;SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_JedecDeviceID);temp0 = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);temp1 = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);temp2 = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_CS_HIGH();temp = (temp0 << 16) | (temp1 << 8) | temp2;return temp;
}
/********写使能函数*********/
static void spi_flash_enable_write(void)
{SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_WriteEnable);//写使能命令SPI_FLASH_CS_HIGH();
}
/********flash判忙函数*******/
static void spi_flash_waitforwriteend(void)
{uint8_t flash_status = 0;SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_ReadStatusReg);do{flash_status = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);    }while ((flash_status & WIP_Flag) == SET); /* flash忙 */SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

以上是一些最常用的指令函数，如果需要其它命令的函数，照葫芦画瓢就行。
然后我们介绍最重要的三个函数spi_flash_bufferread、spi_flash_bufferwrite和spi_flash_write_nocheck
函数spi_flash_bufferread功能：从ReadAddr开始的地址读取NumByteToRead个数据到pBuffer指向的起始地址处。

/*********flash读取*******/
void spi_flash_bufferread(uint8_t* pBuffer, uint32_t ReadAddr, uint16_t NumByteToRead)
{SPI_FLASH_CS_LOW();spi_flash_send_byte(W25X_ReadData);spi_flash_send_byte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);spi_flash_send_byte((ReadAddr& 0xFF00) >> 8);spi_flash_send_byte(ReadAddr & 0xFF);while (NumByteToRead--) {*pBuffer = spi_flash_send_byte(Dummy_Byte);//读出pBuffer++;}SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

我们看一下读取指令的特点

意思就是说发送完读取指令以后，只要不断的读可以把整个芯片的数据都读取出来，不受页，扇区，块等分区的限制。因此spi_flash_bufferread函数就很简洁。

函数spi_flash_write_nocheck的功能：把从pBuffer地址开始的数据写入到WriteAddr开始的地址处，写入NumByteToWrite个，使用该函数一定要保证待写入的flash空间是擦除过的。

/****flash写入函数(要保证flash是被擦除过的)****/
void spi_flash_write_nocheck(uint8_t* pBuffer,uint32_t WriteAddr,uint16_t NumByteToWrite)
{                    uint16_t pageremain = 0;    pageremain = 256 - WriteAddr % 256; //单页剩余的字节数               if(NumByteToWrite <= pageremain){pageremain = NumByteToWrite;//写入的字节数小于一页  pageremain就等于要写入的字节数}while(1){     spi_flash_pagewrite(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}}}
}

写函数咋这么复杂呢？为啥不能用与读取数据相同的套路呢？

我记得EEPROM也有这个特点，是叫做“页卷”。写完一页必须重新发送地址，否则地址自动变为页的开始地址，后边写入的数据会覆盖前边写入的数据，EEPROM会覆盖，SPI FLASH不会，为什么呢？因为FLASH写入之前需要擦除。
由于上边的缘故我们的写函数逻辑上就稍微复杂了。一定要记住flash写入之前必须擦除(以保证flash待写区域是0XFF)，写flash内部的数据只能由1变为0不能由0变为1，想由0变为1必须擦除，擦除以后flash内部的数据就是0xFF了。所以调用spi_flash_write_nocheck函数之前要保证flash的待写区域是0xFF。
flash一次最多写入256个字节。顺带说一下擦除一次最少擦除4K字节(最小的擦除单位是一个Sector)。W25Q64可没有“页擦除”

下面再介绍一个写入函数，该写入函数的好处是调用函数的时候不用考虑flash是否需要擦除，函数内部处理了这个擦操作。直接指定flash空间地址，缓存地址，写入个数就可以了，一句话总结就是省心。
函数spi_flash_bufferwrite的功能：把从pBuffer地址开始的数据写入到WriteAddr开始的地址处，写入NumByteToWrite个

/*********flash写入*******/
void spi_flash_bufferwrite(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{ u32 secpos;u16 secoff;u16 secremain;     u16 i;    u8 * W25QXX_BUF = W25QXX_BUFFER;secpos=WriteAddr>>12;//扇区地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   if(NumByteToWrite<=secremain){secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节}while(1) {   spi_flash_bufferread(W25QXX_BUF,secpos<<12,4096);//读出整个扇区的内容for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF){break;//需要擦除 }    }if(i<secremain)//需要擦除{spi_flash_sectorerase(secpos);      //擦除这个扇区for(i=0;i<secremain;i++)          //复制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];   }spi_flash_write_nocheck(W25QXX_BUF,secpos<<12,4096);//写入整个扇区  }else {spi_flash_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}else//写入未结束{secpos++;//扇区地址增1secoff=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}}   }
}

貌似这个函数用起来很省心，但是我们在享受省心的同时却带来了性能下降的问题(这就像世界上没有一份工作是钱多事少离家近的)。
假设如下情景：
当我们每次只写入一个字节数据，写4K字节空间的话，函数内部需要4096次读，擦，写。需要先把数据从flash搬运到内存，擦除flash，然后再写入。使用spi_flash_write_nocheck函数只要写就可以了，函数内部不会读取和擦除。擦除巨耗时，所以性能急剧下降。
spi_flash_bufferwrite函数用在性能要求不高的场合还是可以的。如果用在SPI FLASH模拟U盘这种场景下，性能不忍直视，速度感人。
到此STM32驱动SPI FLASH就介绍完了，下一篇我们介绍 SPI FLASH如何模拟U盘以及如何提升性能。

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