引言

实现SPI通讯，对FLASH进行读写。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。

一、SPI总线

SPI通信的基础知识

SPI是串行外设接口(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，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，最大SPI速度可达到18MHz 。

通常SPI通过4个管脚与外部器件相连：

MISO：主设备输入/从设备输出管脚。

MOSI：主设备输出/从设备输入管脚。

SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入。

NSS：从设备选择。这是一个可选的管脚，用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选管脚”，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。

时钟信号的相位和极性

SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。

SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

这些时序体现了SPI_CR1寄存器的LSBFIRST被重置（置0）时的情况，即MSB模式。

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时SCK时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

SPI主模式配置

在主配置时，串行时钟在SCK脚产生，学会使用寄存器，了解底层逻辑（用库函数开发也会更加明了），配置步骤如下：

1、通过SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位定义串行时钟波特率。

SPI控制寄存器 1(SPI_CR1)

2、选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟间的相位关系。

3、设置DFF位来定义8或16位数据帧格式。

4、配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。

5、如果NSS引脚需要工作在输入模式，硬件模式中在整个数据帧传输期间应把NSS脚连接到高电平；在软件模式中，需设置SPI_CR1寄存器的SSM和SSI位。

6、必须设置MSTR和SPE位(只当NSS脚被连到高电平，这些位才能保持置位)。在这个配置中，MOSI脚是数据输出，而MISO脚是数据输入。

举例：void SPI1_Init(void)
{    RCC->APB2ENR|=1<<2;          //PORTA时钟使能      RCC->APB2ENR|=1<<12;         //SPI1时钟使能 GPIOA->CRL&=0X000FFFFF;     //PA5/6/7清零GPIOA->CRL|=0XBBB00000;       //PA5/6/7复用GPIOA->ODR|=0X7<<5;         //PA5.6.7上拉   GPIOA->CRL|=0X000000300;    //PA2 SPI主设备时输出SPI1->CR1|=0<<10;           //全双工模式 SPI1->CR1|=1<<9;          //软件NSS管理SPI1->CR1|=1<<8;  SPI1->CR1|=1<<2;             //SPI主机SPI1->CR1|=0<<11;          //8bit数据格式  SPI1->CR1|=1<<1;          //空闲模式下SCK为1 CPOL=1SPI1->CR1|=1<<0;          //数据采样从第二个时间边沿开始，CPHA=1  SPI1->CR1|=2<<5;             //Fpclk1/8SPI1->CR1|=0<<7;            //先发送MSB   SPI1->CR1|=1<<6;           //SPI设备使能
}

数据发送过程

当一字节写进发送缓冲器时，发送过程开始。在发送第一个数据位时，数据字被并行地(通过内部总线)传入移位寄存器，而后串行地移出到MOSI脚上；MSB在先还是LSB在先，取决于SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位。如果设置SPI_CR2寄存器中的TXEIE位，将产生中断。

SPI控制寄存器 2(SPI_CR2)

数据接收过程

对于接收器来说，当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；读SPI_DR寄存器时，将清除RXNE位，SPI设备返回接收到的数据。

SPI状态寄存器(SPI_SR)

代码：
//SPI1 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
uint8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_ TxData)
{uint16_t  retry=0;while((SPI2->SR&1<<1)==0)       //等待发送区空 {retry++;if(retry>=0XFFFE)return 0;   //超时退出}SPI1->DR=TxData;             //发送一个byte retry=0;while((SPI2->SR&1<<0)==0)       //等待接收完一个byte  {retry++;if(retry>=0XFFFE)return 0; //超时退出}return SPI2->DR;                //返回收到的数据
}

二、FLASH控制

本文使用的FLASH与SPI总线的硬件连接如下图所示。

软件方面FLASH定义了很多的指令，确定通讯协议模块，通过协议收发命令、数据，进而驱动设备，因此首先需要了解芯片时序，通过熟悉底层逻辑从而编写驱动，也能为日后学习打下坚实的基础。下面仔细罗列为FLASH其中读取厂商ID的驱动实现步骤，其他驱动见文后代码清单。

FLASH指令集

读取Device ID时序图

通过结合指令中厂商ID所需指令和时序图，拉低片选，使能FLASH，利用用户函数SPI_FLASH_SendByte()来向FLASH发送第一个命令字节编码：“W25X_DeviceID”（自定义的宏：0xAB）；根据指令表，发送完这个指令后，后面紧跟着三个字节的“Dummy byte”，可以自定义任意值，这里定义为“0xFF”，根据时序，在第5个字节，FLASH通过SO端口输出它的器件ID，我们调用函数SPI_FLASH_SendByte()接收返回的数据，并赋值给Temp变量。SPI_FLASH_ReadDeviceID()函数的返回值即为读取得的器件 ID。把片选信号拉高，结束通讯。这就完成了读FLASH 厂商ID。

代码：uint32_t SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{uint32_t Temp=0; SPI_FLASH_CS_LOW(); SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);       //发送读取指令SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);          //三个Dummy_ByteSPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte); SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte); Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);   //接收返回值SPI_FLASH_CS_HIGH(); return Temp;
}

编译调试后获得厂商ID，与下表进行对比，确定芯片选择正确，W25Q16厂商ID为0x14。

制造厂商和设备ID

三、代码编写

main.c#define  FLASH_WriteAddress     0x00000
#define  FLASH_ReadAddress      FLASH_WriteAddress
#define  FLASH_SectorToErase    FLASH_WriteAddress//#define countof(a)    (sizeof(a) / sizeof(*(a)))
//#define  BufferSize (countof(Tx_Buffer)-1)
#define  BufferSize 255uint8_t Tx_Buffer[255]={0};
//uint8_t Tx_Buffer[] = "士不可以不弘毅，任重而道远\r\n";
uint8_t Rx_Buffer[BufferSize];int main()
{uint16_t DeviceID;uint16_t FlashID;int cnt=0;USART1_GPIO_Config(); USART1_Config();SPI_FLASH_Init();printf("\r\n 这是一个 2M 串行 flash(W25X16)实验 \r\n");/* 获得 Flash Device ID */DeviceID = SPI_FLASH_ReadDeviceID();        DelayMS(200);/* 获得 Flash ID */FlashID = SPI_FLASH_ReadID();printf("\r\n FlashID is 0x%X, Manufacturer Device ID is 0x%X\r\n", FlashID, DeviceID);/* 擦除Flash数据 */SPI_FLASH_BulkErase();SPI_FLASH_SectorErase(0);printf("\r\n擦除完毕\r\n");/* 将发送缓冲区的数据写到 flash 中 */ SPI_FLASH_Buffer_Write(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize);{ printf("\r\n 写入的数据为： \r\t");for(cnt=0;cnt<BufferSize;cnt++){Tx_Buffer [cnt]=cnt;printf(" 0x%02X   ", Tx_Buffer[cnt]);}}//printf("\r\n 写入的数据为：%d \r\t", Tx_Buffer[cnt]); /* 将写入的数据读出来放到接收缓冲区 */SPI_FLASH_Buffer_Read(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);{printf("\r\n 读出的数据为： \r\t");for(cnt=0;cnt<BufferSize;cnt++){Rx_Buffer [cnt]=cnt;printf(" 0x%02X   ", Rx_Buffer[cnt]);}}//printf("\r\n 读出的数据为：%d \r\n", Rx_Buffer[cnt]);printf("\r\n 2M串行flash(W25Q16)测试成功!\n\r");SPI_Flash_PowerDown();while(1){} }

spi.cuint32_t time_out = SPI_FLASH_WAIT_TIMEOUT;
static  uint16_t SPI_TIMEOUT_UserCallback(uint8_t errorCode);void SPI_FLASH_Init(void)
{SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/* 使能SPI1 和 GPI时钟 */RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, 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);/* MOSI */GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);/* CS */GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);SPI_FLASH_CS_HIGH();/* SPI1配置 */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);
}//发送一个字节（这里原理同前文寄存器编写代码）uint8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_t byte)
{ uint8_t read_temp;    time_out = SPI_FLASH_WAIT_TIMEOUT;while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) {                                                                                          if(time_out-- == 0)        //超时{return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);}}SPI_I2S_SendData(SPI1, byte); time_out = SPI_FLASH_WAIT_TIMEOUT;/* Wait to receive a byte */while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) {if(time_out-- == 0){return SPI_TIMEOUT_UserCallback(2);}}   read_temp = (uint8_t)SPI_I2S_ReceiveData (SPI1);   return read_temp; }//接收一个字节
uint8_t SPI_FLASH_Receive_Byte(void)
{return SPI_FLASH_SendByte(0xFF);
}//出错时调用这个函数
static  uint16_t SPI_TIMEOUT_UserCallback(uint8_t errorCode)
{printf("\r\nSPI 检测超时，错误代码：%d",errorCode);return 0;
}

flash.h
#ifndef __FLASH_H
#define __FLASH_H       #include "sys.h" #define W25Q16   0XEF14
#define FLASH_ID 0XEF14#define  SPI_FLASH_CS PAout(2)
#define SPI_FLASH_CS_HIGH()  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2)
#define SPI_FLASH_CS_LOW()    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2)
#define SPI_FLASH_PageSize         256
#define SPI_FLASH_PerWritePageSize  256
#define  SPI_FLASH_WAIT_TIMEOUT  10000//指令表
#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 Dummy_Byte 0xFFuint32_t SPI_FLASH_ReadDeviceID(void);
uint8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_t byte);
uint8_t SPI_FLASH_Receive_Byte(void);
uint32_t SPI_FLASH_ReadID(void);
void SPI_FLASH_SectorErase(uint32_t SectorAddr);
void SPI_FLASH_BulkErase(void);
void SPI_FLASH_WriteEnable(void);
void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void);
void SPI_FLASH_Page_Write(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite);
void SPI_FLASH_Buffer_Read(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr, uint8_t NumByteToRead);
void SPI_FLASH_Buffer_Write(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite);
void SPI_Flash_PowerDown(void);#endif   /* __FLASH_H */

usart.c
void USART1_GPIO_Config()                                                /* GPIO配置 */
{       GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                                    /* 结构体定义 */RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);               /* USART1时钟 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);                /* GPIOA使能 */GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;                                 /* PA2引脚 ，USART的TX*/GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;                           /* 复用推挽输出 */GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;                         /* 50MHz*/GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                                   /* 初始化GPIOA */GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;                                /* PA3引脚 ，USART的RX*/GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;                     /* 浮空输入，用来接收数据 */GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);                                   /* 初始化GPIOA */
}void USART1_Config()
{USART_InitTypeDef USART_InitStructure;                                 /* 结构体定义 */USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;                           /* 配置波特率 */USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;            /* 8位数据 */USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;                 /* 1位停止位 */USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;                   /* 无奇偶校验 */USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;/* 无硬件流控制 */USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;        /* 允许接收和发送 */USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);                              /* 完成串口初始化 */USART_Cmd(USART1, ENABLE);                                             /* 串口使能 */}//重定义printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{/* 将Printf内容发往串口 */USART_SendData(USART1, (unsigned char)ch);while (!USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC));USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);return (ch);}int fgetc(FILE *f)
{/* 等待串口输入数据 */while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}

四、运行结果

通过编译调试后，使用串口监听运行结果如下：

五、结论

当SPI时钟频率较高时，建议采用DMA模式以避免SPI速度性能的降低，且SPI有一个缺点：有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到了数据，不像I2C没传输数据会有一个ACK应答机制，学习时序弄清底层逻辑尤为重要，不可得过且过。

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