STM32——SPI介面

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STM32——SPI介面

宗旨：技術的學習是有限的，分享的精神的無限的。

一、SPI協議【SerialPeripheral Interface】

        串列外圍裝置介面，是一種高速全雙工系統的通訊匯流排。在ADC/LCD等與MCU間通訊。

1、SPI訊號線

        SPI 包含 4 條匯流排，SPI 匯流排包含 4 條匯流排，分別為SS 、SCK、MOSI、MISO。

（1）SS（SlaveSelect）：片選訊號線，當有多個 SPI 裝置與 MCU 相連時，每個裝置的這個片選訊號線是與 MCU 單獨的引腳相連的，而其他的 SCK、MOSI、MISO 線則為多個裝置並聯到相同的 SPI 匯流排上，低電平有效。

（2）SCK （Serial Clock）：時鐘訊號線，由主通訊裝置產生，不同的裝置支援的時鐘頻率不一樣，如 STM32 的 SPI 時鐘頻率最大為 f PCLK /2。

（3）MOSI （Master Output, Slave Input）：主裝置輸出 / 從裝置輸入引腳。主機的資料從這條訊號線輸出，從機由這條訊號線讀入資料，即這條線上資料的方向為主機到從機。

（4）MISO（Master Input, Slave Output）：主裝置輸入 / 從裝置輸出引腳。主機從這條訊號線讀入資料，從機的資料則由這條訊號線輸出，即在這條線上資料的方向為從機到主機。

2、SPI模式

根據 SPI 時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA） 配置的不同，分為 4 種 SPI 模式。時鐘極性是指 SPI 通訊裝置處於空閑狀態時（也可以認為這是 SPI 通訊開始時，即SS 為低電平時），SCK 訊號線的電平訊號。CPOL=0 時， SCK 在空閑狀態時為低電平，CPOL=1 時則相反。時鐘相位是指資料採樣的時刻，當 CPHA=0 時，MOSI 或 MISO 資料線上的訊號將會在 SCK 時鐘線的奇數邊沿被採樣。當 CPHA=1 時，資料線在 SCK 的偶數邊沿採樣。

首先，由主機把片選訊號線SS 拉低，意為主機輸出，在SS 被拉低的時刻，SCK 分為兩種情況，若我們設定為 CPOL=0，則 SCK 時序在這個時刻為低電平，若設定為 CPOL=1，則 SCK 在這個時刻為高電平。採樣時刻都是在 SCK 的奇數邊沿(注意奇數邊沿有時為下降沿，有時為上升沿)。

CPHA=1時，資料訊號的採樣時刻為偶數邊沿。

 

二、SPI特性及架構

（1）單次傳輸可選擇為 8 或 16 位。

（2）傳輸速率預分頻係數(最大為 fPCLK/2) 。

（3）時鐘極性(CPOL)和相位(CPHA)可程式化設定 。

（4）資料順序的傳輸順序可進行編程選擇，MSB 在前或 LSB 在前。

（5）可觸發中斷的專用發送和接收標誌。

（6）可以使用 DMA 進行資料轉送操作。

1、SPI架構

MISO 資料線接收到的訊號經移位寄存器處理後把資料轉移到接收緩衝區，然後這個資料就可以由我們的軟體從接收緩衝區讀出了。

當要發送資料時，我們把資料寫入發送緩衝區，硬體將會把它用移位寄存器處理後輸出到 MOSI 資料線。

SCK 的時鐘訊號則由傳輸速率發生器產生，我們可以通過傳輸速率控制位（BR）來控制它輸出的傳輸速率。

控制寄存器 CR1 掌管著主控制電路，STM32 的 SPI 模組的通訊協定設定（時鐘極性、相位等）就是由它來制定的。而控制寄存器 CR2 則用於設定各種中斷使能。

最後為 NSS 引腳，這個引腳扮演著 SPI 協議中的SS 片選訊號線的角色，如果我們把 NSS 引腳配置為硬體自動控制，SPI 模組能夠自動判別它能否成為 SPI 的主機，或自動進入 SPI 從機模式。但實際上我們用得更多的是由軟體控制某些 GPIO 引腳單獨作為SS訊號，這個 GPIO 引腳可以隨便選擇。

 

三、SPI介面讀取Flash

        各訊號線相應串連到 Flash（型號 ：W25X16/W25Q16）的 CS、CLK、DO 和 DIO 線，實現SPI 通訊，對 Flash進行讀寫，其中 W25X16 和 W25Q16 在程式上不同的地方是 FLASH 的ID 不一樣。

        讀取 Flash 的 ID 資訊，寫入資料，並讀取出來進行校正，通過串口列印寫入與讀取出來的資料，輸出測試結果。

        不同的裝置都會相應的有不同的指令，如 EEPROM 中會把第一個資料解釋為儲存矩陣的地址（實質就是指令）。而 Flash 則定義了更多的指令，有寫指令、讀指令、讀ID 指令等。

SPI-FLASH通訊：

（1）配置 I/O連接埠，使能 GPIO。

（2）根據將要進行通訊器件的 SPI模式，配置 STM32的 SPI，使能 SPI時鐘。

（3）配置好 SPI後，根據各種 Flash定義的命令控制對它的讀寫。

注意在寫操作前要先進行儲存扇區的擦除操作，擦除操作前也要先發出“寫使能”命令

1、 main.c

int main(void){  /* 配置串口 1 為：115200 8-N-1 */  USART1_Config();  printf("\r\n 這是一個 2M 串列 flash(W25X16)實驗 \r\n");  /* 2M 串列 flash W25Q16 初始化 */  SPI_FLASH_Init();  /* Get SPI Flash Device ID */  DeviceID = SPI_FLASH_ReadDeviceID();  Delay( 200 );  /* Get SPI Flash ID */  FlashID = SPI_FLASH_ReadID();  printf("\r\n FlashID is 0x%X, Manufacturer Device ID is 0x%X\r\n",  FlashID, DeviceID);  /* Check the SPI Flash ID */  if (FlashID == sFLASH_ID)   /* #define sFLASH_ID 0xEF3015 */  {    printf("\r\n 檢測到串列 flash W25X16 !\r\n");    SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);    SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress,  BufferSize);    printf("\r\n 寫入的資料為：%s \r\t", Tx_Buffer);    SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);    printf("\r\n 讀出的資料為：%s \r\n", Tx_Buffer);    /* 檢查寫入的資料與讀出的資料是否相等 */    TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);    if ( PASSED == TransferStatus1 )    {      printf("\r\n 2M 串列 flash(W25X16)測試成功!\n\r");    }    else    {      printf("\r\n 2M 串列 flash(W25X16)測試失敗!\n\r");    }  }// if (FlashID == sFLASH_ID)  else  {    printf("\r\n 擷取不到 W25X16 ID!\n\r");  }  SPI_Flash_PowerDown();  while (1);}

（1）調用 USART1Confi g() 初始化串口。

（2）調用 SPI_FLASH_Init() 初始化 SPI 模組。

（3）調用 SPI_FLASH_ReadDeviceID() 讀取 Flash 器件生產廠商的 ID 資訊。

（4）調用 SPI_FLASH_ReadID() 讀取 Flash 器件的裝置識別碼 資訊

（5）若讀取得的ID正確， 則調用 SPI_FLASH_SectorErase()把 Flash 的內 容擦除，擦除後調用SPI_FLASH_BufferWrite() 向Flash 寫入資料，然後再調用SPI_FLASH_BufferRead()從剛剛寫入的地址中讀出資料。最後調用 Buffercmp() 函數對寫入的資料與讀取的資料進行比較，若寫入的資料與讀出的資料相同，則把標誌變數TransferStatus1 賦值為 PASSED（自訂的枚舉變數）。

（6）最後調用 SPI_Flash_PowerDown()函數關閉 Flash 裝置的電源，因為資料寫入到Flash 後並不會因斷電而丟失，我們在使用它時才重新開啟 Flash 的電源

 

2、SPI初始化

#define SPI_FLASH_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)#define SPI_FLASH_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)void SPI_FLASH_Init(void){  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOD, 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);  /* MOS */  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  /* CS  */  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  SPI_FLASH_CS_HIGH();  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);}

（1）SPI_Mode ：主機模式（SPI_Mode_Master）或從機模式（SPI_Mode_Slave），這兩個模式的最大區別為 SPI 的 SCK 訊號線的時序，SCK 的時序是由通訊中的主機產生的。若被配置為從機模式，STM32 的 SPI 模組將接受外來的 SCK 訊號。
（2）SPI_DataSize ： SPI 每次通訊的資料大小（稱為資料幀）為 8 位還是 16 位。

（3）SPI_CPOL 和 SPI_CPHA ：配置SPI的時鐘極性（CPOL）和時鐘相位CPHA），這兩個配置影響到 SPI 的通訊模式，該設定要符合將要互相通訊的裝置的要求。CPOL 分別可以取 SPI_CPOL_High（SPI 通訊空閑時 SCK 為高電平）和SPI_CPOL_Low（SPI 通訊空閑時 SCK 為低電平）。CPHA 則可以取 SPI_CPHA_1Edge（在 SCK 的奇數邊沿採集資料） 和 SPI_CPHA_2Edge（在 SCK偶數邊沿採集資料）。

（4）SPI_NSS ：配置NSS引腳的使用模式，硬體模式（SPI_NSS_Hard）與軟體模式（SPI_NSS_Soft），在硬體模式中的 SPI 片選訊號由硬體自動產生，而軟體模式則需要我們親自把相應的 GPIO 連接埠拉高或置低產生非片選和片選訊號。如果外界條件允許，硬體模式還會自動將 STM32 的 SPI 設定為主機。我們使用軟體模式，向這個成員賦值為 SPI_NSS_Soft。

（5）SPI_BaudRatePrescaler：本成員設定傳輸速率分頻值，分頻後的時鐘即為 SPI 的 SCK訊號線的時鐘頻率。這個成員參數可設定為 f PCLK 的 2、4、6、8、16、32、64、128、256 分頻。賦值為 SPI_BaudRatePrescaler_4，即 f PCLK 的 4 分頻。

（6）SPI_FirstBit：所有串列的通訊協定都會有 MSB 先行（高位元據在前）還是 LSB先行（低位元據在前）的問題，而 STM32 的 SPI 模組可以通過這個結構體成員，對這個特性編程式控制制。據 Flash 的通訊時序，我們向這個成員賦值為MSB先行（SPI_FirstBit_MSB）。

（7）SPI_CRCPolynomial：這是 SPI 的 CRC 校正中的多項式，若我們使用 CRC 校正時，就使用這個成員的參數（多項式）來計算 CRC 的值。由於本實驗的 Flash 不支援 CRC校正，所以我們向這個結構體成員賦值為 7 實際上是沒有意義的。

配置完這些結構體成員後，我們要調用 SPI_Init() 函數把這些參數寫入寄存器中，實現SPI 的初始化，然後調用 SPI_Cmd() 來使能 SPI1。

 

2、讀FLASH的ID

#define Dummy_Byte   0xFFu8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte){  // 等待發送資料寄存器清空  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);   SPI_I2S_SendData(SPI1, byte); // 向從機發送資料  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收資料寄存器非空   return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); // 擷取接收寄存器中的資料}u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void){  u32 Temp = 0;   SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  SPI_FLASH_CS_HIGH();   return Temp;}<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background-color: rgb(255, 255, 255);"> </span>

3、讀取廠商ID

u32 SPI_FLASH_ReadID(void){  u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID); // 0x9F  Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  SPI_FLASH_CS_HIGH();  Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;  return Temp;}

4、擦除FLASH內容

void SPI_FLASH_WriteEnable(void){  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable); // 06H  SPI_FLASH_CS_HIGH();}void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void){  u8 FLASH_Status = 0;  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg); // 05H  do  {    FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);  }  while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET);  SPI_FLASH_CS_HIGH();}void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr){  SPI_FLASH_WriteEnable();  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase); // 20H  SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);  SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);  SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);  SPI_FLASH_CS_HIGH();  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();}

5、向Flash寫資料——分頁

void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite){  SPI_FLASH_WriteEnable();  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram); // 02H  SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);  SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);  SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);  if(NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize)  {    NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;  }  while (NumByteToWrite--)  {    SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);    pBuffer++;  }  SPI_FLASH_CS_HIGH();  SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();}void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite){  u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;  Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;  count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;  NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;  NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;  if (Addr == 0)  {    if (NumOfPage == 0)    {      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);    }    else    {      while (NumOfPage--)      {        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);        WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;        pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;      }      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);    }  }  else  {    if (NumOfPage == 0)    {      if (NumOfSingle > count)      {        temp = NumOfSingle - count;        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);        WriteAddr +=  count;        pBuffer += count;        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);      }      else      {        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);      }    }    else    {      NumByteToWrite -= count;      NumOfPage =  NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;      NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;      SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);      WriteAddr +=  count;      pBuffer += count;      while (NumOfPage--)      {        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);        WriteAddr +=  SPI_FLASH_PageSize;        pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;      }      if (NumOfSingle != 0)      {        SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);      }    }  }}

6、從Flash讀

void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead){  SPI_FLASH_CS_LOW();  SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData); // 03H  SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);  SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF00) >> 8);  SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);  while (NumByteToRead--)   {    *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);    pBuffer++;  }  SPI_FLASH_CS_HIGH();}

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