STM32学习笔记—SPI总线通信原理与实验

SPI总线通信原理

SPI总线简介

SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。
SPI总线被广泛地使用在FLASH、ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。

SPI总线物理·拓扑结构

SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。

（1）MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入
（2）MISO：主器件数据输入，从器件数据输出
（3）SCLK ：时钟信号，由主器件产生
（4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制（片选）

SPI总线协议

起始信号: NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号
结束信号： NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号
数据传输： SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。SPI每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

主从设备间数据交换逻辑示意

主机和从机都包含一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节发起一次传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样两个移位寄存器中的内容就被交换了。从机的写操作和读操作时同步完成的，因此SPI成为一个很有效的协议。

SPI的四种通信模式

在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）这两项即是主从设备间数据采样的约定方式。
时钟极性CPOL : 设置时钟空闲时的电平
当CPOL = 0 ，SCK引脚在空闲状态保持低电平；
当CPOL = 1 ，SCK引脚在空闲状态保持高电平。
时钟相位CPHA : 设置数据采样时的时钟沿
当 CPHA=0 时，MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的奇数边沿被采样；
当 CPHA=1时， MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的偶数边沿被采样。
通信模式的设置：
由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，因此通常主机要按照从机支持的模式去设置。

STM32F4-SPI控制器特性

通讯引脚

STM32F4芯片有多个SPI外设，它们的SPI通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，以《STM32F4xx规格书》为准。

注：其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的设备，最高通信速率达42Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为21Mbits/s。其它功能上没有差异。

时钟控制逻辑

SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对f pclk 时钟的分频因子，对f pclk 的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

注：其中的f pclk 频率是指SPI所在的APB总线频率，APB1为f pclk1 ，APB2为f pckl2。

数据控制逻辑

STM32F4的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源来源于接收缓冲区及发送缓冲区。
• 通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中。
• 通过读“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。
• 其中数据帧长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式；配置“LSBFIRST位”可选择MSB（高位）先行还是LSB（低位）先行。

整体控制逻辑

• 整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。
• 在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。
• 实际应用中，一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

NOR FLASH介绍

FLASH是常用的用于储存数据的半导体器件，它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除、掉电后数据可继续保存的特性。
FLASH是有一个物理特性：只能写0，不能写1，写1靠擦除。
FLASH主要有NOR Flash和NAND Flash两种类型，NOR和NAND是两种数字门电路。

NM25Q128 简介

NM25Q128，串行闪存器件，属于NOR FLASH中的一种，容量为128 Mb。擦写周期可达10W次，可以将数据保存达20年之久。

NM25Q128常用指令

NOR FLASH的指令总数比较多, 但是如果只需要实现基本操作, 还是比较简单的。一般我们只需要：5条指令即可完成对NOR FLASH的基本使用（以NM25Q128为例）。

读数据（03H）

读数据指令可从存储器依次一个或多个数据字节，该指令通过主器件拉低/CS电平使能设备开始传输，然后传输“03H”指令，接着通过DI管脚传输24位地址，从器件接到地址后，寻址存储器中的数据通过DO引脚输出。每传输一个字节地址自动递增，所以只要时钟继续传输，可以不断读取存储器中的数据。

写数据——页编程（02H）

页编程指令可以在已擦除的存储单元中写入256个字节。该指令先拉低/CS引脚电平，接着传输“02H”指令和24位地址。后面接着传输至少一个数据字节，最多256字节。
注: 当数据写到一个新的扇区的时候，需要重新发起一个页编程信号才能继续写入数据。

CubeMX参数设置

根据自己的硬件外设（NM25Q128）连接配置芯片引脚功能

参考“NM25Q128 简介”部分的图片

SPI参数设置

Mode: 模式选择双向主模式
其他参数根据上面的原理介绍部分选择即可。

实验程序设计

NM25Q128.h如下：

#ifndef __NM25Q128_H
#define __NM25Q128_H

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stdio.h"

#define NM25Q128_ManufactDeviceID  0x90  		/* Read identification */
#define sFLASH_CMD_WREN            0x06			/* Write enable instruction */
#define sFLASH_CMD_RDSR            0x05			/* Read Status Register instruction  */
#define sFLASH_CMD_SE              0x20			/* Sector Erase instruction */
#define sFLASH_CMD_WRITE           0x02  		/* Write to Memory instruction */
#define sFLASH_CMD_READ            0x03			/* Read from Memory instruction */	

#define sFLASH_DUMMY_BYTE          0x00
#define sFLASH_BUSY_FLAG           0x01
#define sFLASH_SPI_PAGESIZE        0x100

/* 选中芯片： 拉低片选 */
#define sFLASH_CS_LOW()       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_RESET)
/* 释放芯片： 拉高片选 */
#define sFLASH_CS_HIGH()      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_14,GPIO_PIN_SET)

uint8_t sFLASH_SendByte(uint8_t byte);
uint16_t sFLASH_ReadID(void);
void sFLASH_EraseSector(uint32_t SectorAddr);
void sFLASH_WriteBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint32_t NumByteToWrite);
void sFLASH_WritePage(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint32_t NumByteToWrite);
void sFLASH_ReadBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t ReadAddr, uint32_t NumByteToRead);

#endif

NM25Q128.c如下：

#include "NM25Q128.h"

extern SPI_HandleTypeDef hspi1;

/*读写一个字节函数*/
uint8_t sFLASH_SendByte(uint8_t byte)
{
	uint8_t TX_DATA = byte;
	uint8_t RX_DATA = 0;
	HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &TX_DATA ,&RX_DATA , 1, 1000);
	
	return RX_DATA;
}

/*等待擦除或者写数据完成*/
void sFLASH_WaitForEnd(void)
{
	uint8_t sr_value = 0;
	
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_CMD_RDSR);
	
	do{	
		sr_value = sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
		
	}while( sr_value & sFLASH_BUSY_FLAG);
	
	sFLASH_CS_HIGH();
}

void sFLASH_WriteEnable(void)
{
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_CMD_WREN);
	
	sFLASH_CS_HIGH();
}

uint16_t sFLASH_ReadID(void)
{
	uint16_t FLASH_ID;
	uint8_t temp0,temp1;
	
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(NM25Q128_ManufactDeviceID);
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
	sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
	sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
	
	temp0 = sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
	temp1 = sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
	
	sFLASH_CS_HIGH();
	
	FLASH_ID = (temp0 << 8) | temp1;
	return FLASH_ID;
}

void sFLASH_EraseSector(uint32_t SectorAddr)
{
	sFLASH_WriteEnable();  //开启写使能
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_CMD_SE);
	sFLASH_SendByte( (SectorAddr>>16) & 0xff);   //传送高8位
	sFLASH_SendByte( (SectorAddr>>8) & 0xff);     //传送中8位
	sFLASH_SendByte( (SectorAddr>>0) & 0xff);      //传送低8位
	 
	sFLASH_CS_HIGH();
	/*等待擦除完成*/
	sFLASH_WaitForEnd();
}

void sFLASH_ReadBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t ReadAddr, uint32_t NumByteToRead)
{
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_CMD_READ);
	sFLASH_SendByte( (ReadAddr>>16) & 0xff);   //传送高8位
	sFLASH_SendByte( (ReadAddr>>8) & 0xff);     //传送中8位
	sFLASH_SendByte( (ReadAddr>>0) & 0xff);      //传送低8位
	while(NumByteToRead--)
	{
		* pBuffer = sFLASH_SendByte(sFLASH_DUMMY_BYTE);
		pBuffer++;
	}
	sFLASH_CS_HIGH();
}

void sFLASH_WritePage(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint32_t NumByteToWrite)
{
	if(NumByteToWrite > sFLASH_SPI_PAGESIZE )
	{
		NumByteToWrite = sFLASH_SPI_PAGESIZE;
		
		printf("写数据量太大，超过一页的大小\n");
	}
	sFLASH_WriteEnable();  //开启写使能
	
	sFLASH_CS_LOW();
	
	sFLASH_SendByte(sFLASH_CMD_WRITE);
	sFLASH_SendByte( (WriteAddr>>16) & 0xff);   //传送高8位
	sFLASH_SendByte( (WriteAddr>>8) & 0xff);     //传送中8位
	sFLASH_SendByte( (WriteAddr>>0) & 0xff);      //传送低8位
	
	while(NumByteToWrite--)
	{
		sFLASH_SendByte(* pBuffer);
		pBuffer++;
	}
	sFLASH_CS_HIGH();
	/*等待写完成*/
	sFLASH_WaitForEnd();
}

void sFLASH_WriteBuffer(uint8_t* pBuffer, uint32_t WriteAddr, uint32_t NumByteToWrite)
{
	uint16_t NumOfPage, NumOfBytes, count, offset;
	
	offset = WriteAddr % sFLASH_SPI_PAGESIZE;
	count = sFLASH_SPI_PAGESIZE - offset;
	
	/* 处理页不对齐的情况*/
	if(offset && (NumByteToWrite > count ))
	{
		sFLASH_WritePage(pBuffer,WriteAddr,count);
		
		NumByteToWrite -= count;
		
		pBuffer += count;
		WriteAddr += count;
	}
	NumOfPage = NumByteToWrite / sFLASH_SPI_PAGESIZE;
	NumOfBytes = NumByteToWrite % sFLASH_SPI_PAGESIZE;
	if(NumOfPage)
	{
			while(NumOfPage--)
			{
				sFLASH_WritePage(pBuffer,WriteAddr,sFLASH_SPI_PAGESIZE);
				pBuffer += sFLASH_SPI_PAGESIZE;
				WriteAddr += sFLASH_SPI_PAGESIZE;
			}
	}
	
	if(NumOfBytes)
	{
		sFLASH_WritePage(pBuffer,WriteAddr,NumOfBytes);
	}
}

主程序中的测试程序如下:

	printf("this is spi flash test\n");
	FLASH_ID = sFLASH_ReadID();
	printf("FLASH_ID = %x\n",FLASH_ID);
	
		/*测试擦除*/
	sFLASH_EraseSector(4096*0);
	sFLASH_EraseSector(4096*1);
	
//	sFLASH_ReadBuffer(RD_Buffer,0,4096);
//	printf("读数据开始\n");
//	for(i=0; i<4096; i++)
//	{
//		printf("%x ",RD_Buffer[i]);
//	}
//	printf("读数据结束\n");
//	
//	
//	/*测试写操作1*/
//	sFLASH_WritePage(WR_Buffer,0, 20);
//	sFLASH_ReadBuffer(RD_Buffer,0,20);
//	printf("READ DATA: %s\n",RD_Buffer);
//	
	/*测试写操作2*/
	for(i=0; i<4096; i++)
	{
		WR_Buffer[i] = 0x55;
	}
	sFLASH_WriteBuffer(WR_Buffer,4090, 1000);
	sFLASH_ReadBuffer(RD_Buffer,4090,1000);
	for(i=0; i<1000; i++)
	{
		printf("%x ",RD_Buffer[i]);
	}