1、SPI协议

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(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。它被广泛地使用在 ADC、 LCD 等设备与 MCU 间，==要求通讯速率较高的场合。==这里就可以对比下iic，iic的速率较低，一般是低速设备之间通讯。

1、硬件连接

常见的SPI硬件连接图如下所示：

相关引脚说明如下：

• SS（Slave Select)： 从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、 CS，以下用 NSS 表示。 当有多个 SPI 从设备与 SPI 主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。 I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以SPI 通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。(这里可以对比下和IIC的区别，iic需要我们手动写开始和停止信号)
• SCK (Serial Clock)： 时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
• MOSI (Master Output， Slave Input)： 主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
• MISO(Master Input,， Slave Output)： 主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2、通讯时序

常见的SPI通信时序如下所示：

下面我们对这个协议里面的过程做逐一介绍：

• 1处， NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。 NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。
• 6处， NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。
• 下面是数据线和时钟还是片选信号的设置，其实从图中也能看出了，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。数据传输时， MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，就是要么都用MSB先行，要么就都是LSB先行。

下面图中是我捕获了逻辑分析仪数据得出的MSB先行还是LSB先行的区别所在：

下面为MSB先行：

• 图中的2、3、4、5标号处，MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻， MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及 MISO为下一次表示数据做准备。

下面图中我也用逻辑分析仪捕获到的数据对这一现象作说明，首先是开始和结束的信号，可以看到时钟信号拉低后，设备就被使能了，就可以进行通信了！

下面我们来重点关注下我们的这个数据位，可以看到每次始终线变化八次进行数据改变，就对应我们一个字节的数据，在上升沿的时候数据开始变化，下降沿的时候读取数据，就是我们在通信过程中收发的数据了！

当然，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，这个是需要我们自己去设置的，这里我们只是用最常规的方法举个例子！

3、不同的通信模式

当然上面介绍的其实只是一种通信方式，SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA的概念。

• 这个在我们CUBEMX的配置页面中很直观的展现出来了，如下所示：
  

• 时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时， SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。 CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。

• 时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，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，数据线在 SCK 的“偶数边沿” 采样。

CPHA=0的时候因为时钟极性变化不同数据传输的不同

无论 CPOL=0 还是=1，因为我们配置的时钟相位 CPHA=0，在图中可以看到， 采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1 的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。 MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻， MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。

CPHA=1的时候因为时钟极性变化不同数据传输的不同

同样的从上面的图中我们也可以看出就是CPHA=1 时，不受 CPOL 的影响，数据信号在 SCK 的偶数边沿被采样

下面这里我还是用逻辑分析仪对上面进行介绍，可以比较直观的看明白这个过程

因此随着这两个位的不同，SPI就会有四种模式，如下表所示：

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

对于STM32而言，基本上是移植了这个SPI所有的功能，然后还做了一些辅助功能，就比如我们有的时候不需要那个读取数据，只需要写数据什么的，或者只需要接收数据，这样的，stm32的硬件spi也都做了相应的适配，下图我对每个功能做了简单的说明

2、W25Q64介绍

好，那我们学了东西是要拿来用的对吧，不然学了没用啊对吧，这里就以一个比较经典的SPI设备为例，就是一般的开发板上都会有的W25Q64芯片。

这个是FLASH芯片，FLSAH 存储器又称闪存，它与 EEPROM 都是掉电后数据不丢失的存储器，但 FLASH存储器容量普遍大于 EEPROM，现在基本取代了它的地位。在存储控制上，EEPROM和最主要的区别是 FLASH 芯片只能一大片一大片地擦写，而 EEPROM 可以单个字节擦写。

这里我们再看下W25Q64的常用指令表

这里以读取设备ID为例，根据上面的指令表，发送9FH，就是向他要设备ID的意思：

他的返回情况如下所示：

主机FLASH 芯片发送第一个字节数据为“9F h” ，当 FLASH 芯片收到该数据后，它会解读成主机向它发送了“JEDEC 指令”，然后它就作出该命令的响应： 通过 MISO 线把它的厂商 ID(M7-M0)及芯片类型(ID15-0)发送给主机，主机接收到指令响应后可进行校验。

3、SPI读写驱动编写

首先我们看下他的这个原理图如下所示

在cubemx中进行对应的配置如下所示：

这里再根据原理图设置一个片选引脚

这样我们的基本配置工作就完成了，下面就是代码部分了，我们先看下我们上面提到的读取ID的部分，这里要注意就是片选信号这里如果选择了软件的方式，那就是每次读写之前都要把片选拉低，然后结束后再把片选拉高！

然后是检查是否繁忙，flash芯片提供了一个寄存器，我们主要是关心他的第0位，当这个位为“1”时，表明 FLASH芯片处于忙碌状态，它可能正在对内部的存储矩阵进行“擦除”或“数据写入”的操作。

之后就是读写函数了，大概就是先擦除，然后选好地址，然后在写入，之后我们在原来设定的地址读取就行了

之后我们在主函数初始化中加入下面的代码

将程序下载到开发板，效果如下所示：

4、源码

w25q64.c

/*
 * w25q64.c
 *
 *  Created on: Mar 25, 2022
 *      Author: LX
 */


/* W25Q64的指令 */

#include "w25q64.h"
#include "stdio.h"

uint8_t w25x_read_id = 0x90;                    // 读ID
uint8_t m_addr[3]    = {0,0,0};                 // 测试地址0x000000
uint8_t check_addr   = 0x05;                    // 检查线路是否繁忙
uint8_t enable_write = 0x06;                    // 使能了才能改变芯片数据
uint8_t erase_addr   = 0x20;                    // 擦除命令
uint8_t write_addr   = 0x02;                    // 写数据命令
uint8_t read_addr    = 0x03;                    // 读数据命令


#define CS_HIGH HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET)
#define CS_LOW HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET)

extern SPI_HandleTypeDef hspi1;
#define W25Q64SPI hspi1


void ReadID(void)
{
    uint8_t temp_ID[5] = {0,0,0,0,0};
    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &w25x_read_id, 1, 100);
    HAL_SPI_Receive(&W25Q64SPI, temp_ID, 5, 100);
    CS_HIGH;
    printf("ID为 %x%x\n",temp_ID[3],temp_ID[4]);
}
void CheckBusy(void)
{
    uint8_t status=1;
    uint32_t timeCount=0;
    do
    {
        timeCount++;
        if(timeCount > 0xEFFFFFFF) //等待超时
        {
        }
        CS_LOW;
        HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &check_addr, 1, 100);
        HAL_SPI_Receive(&W25Q64SPI, &status, 1, 100);
        CS_HIGH;
    }while((status&0x01)==0x01);
}


/* 写入数据 */
void ReadData(void)
{
    uint8_t temp_wdata[] = "STM32串行FLASH读取";
    CheckBusy();

    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &enable_write, 1, 100);//使能写入
    CS_HIGH;

    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &erase_addr, 1, 100);//擦除命令
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, m_addr, 3, 100);//擦除的地址
    CS_HIGH;

    CheckBusy();
    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &enable_write, 1, 100);//使能写入
    CS_HIGH;

    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &write_addr, 1, 100);//写入命令
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, m_addr, 3, 100);//写入地址
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, temp_wdata, sizeof(temp_wdata), 100);//写入数据
    CS_HIGH;
}
void WriteData(void)
{
    uint8_t temp_rdata[128] = {0};

    CheckBusy();

    CS_LOW;
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, &read_addr, 1, 100);
    HAL_SPI_Transmit(&W25Q64SPI, m_addr, 3, 100);
    HAL_SPI_Receive(&W25Q64SPI, temp_rdata, sizeof(temp_rdata), 100);
    CS_HIGH;

    printf("写入的数据为:%s\n",temp_rdata);
}

w25q64.h

/*
 * w25q64.h
 *
 *  Created on: Mar 25, 2022
 *      Author: LX
 */

#ifndef W25Q64_H_
#define W25Q64_H_

#include "main.h"

void ReadID(void);
void ReadData(void);
void WriteData(void);

#endif /* W25Q64_H_ */