第24章 SPI—读写串行FLASH
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本章参考资料：《STM32F4xx 中文参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》及《SPI总线协议介绍》。
若对SPI通讯协议不了解，可先阅读《SPI总线协议介绍》文档的内容学习。
关于FLASH存储器，请参考"常用存储器介绍"章节，实验中FLASH芯片的具体参数，请参考其规格书《W25Q128》来了解。
24.1 SPI协议简介
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。
学习本章时，可与I2C章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异以及EEPROM存储器与FLASH存储器的区别。下面我们分别对SPI协议的物理层及协议层进行讲解。
24.1.1 SPI物理层
SPI通讯设备之间的常用连接方式见图 241。
图 241 常见的SPI通讯系统
SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为，它们的作用介绍如下：
(1) ( 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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
24.1.2 协议层
与I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
1. SPI基本通讯过程
先看看SPI通讯的通讯时序，见图 242。
图 242 SPI通讯时序
这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
2. 通讯的起始和停止信号
在图 242中的标号处，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，当从机检在自己的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。在图中的标号处，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。
3. 数据有效性
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，一般都会采用图 242中的MSB先行模式。
观察图中的 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。
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。
4. CPOL/CPHA及通讯模式
上面讲述的图 242中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，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。
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。见图 243及图 244。
图 243 CPHA=0时的SPI通讯模式
我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。
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。
类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样，见图 244。
图 244 CPHA=1时的SPI通讯模式
由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见表 241，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是"模式0"与"模式3"。
表 241 SPI的四种模式
|
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 |
24.2 STM32的SPI特性及架构
与I2C外设一样，STM32芯片也集成了专门用于SPI协议通讯的外设。
24.2.1 STM32的SPI外设简介
STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F429型号的芯片默认fpclk1为90MHz，fpclk2为45MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。
STM32的SPI外设还支持I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议，在我们以后讲解MP3播放器的章节中会进行介绍。
24.2.2 STM32的SPI架构剖析
图 245 SPI架构图
1. 通讯引脚
SPI的所有硬件架构都从图 245中左侧MOSI、MISO、SCK及NSS线展开的。STM32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，见表 242。关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx规格书》，以它为准。
表 242 STM32F4xx的SPI引脚(整理自《STM32F4xx规格书》)
|
引脚 |
SPI编号 |
|||||
|
SPI1 |
SPI2 |
SPI3 |
SPI4 |
SPI5 |
SPI6 |
|
|
MOSI |
PA7/PB5 |
PB15/PC3/PI3 |
PB5/PC12/PD6 |
PE6/PE14 |
PF9/PF11 |
PG14 |
|
MISO |
PA6/PB4 |
PB14/PC2/PI2 |
PB4/PC11 |
PE5/PE13 |
PF8/PH7 |
PG12 |
|
SCK |
PA5/PB3 |
PB10/PB13/PD3 |
PB3/PC10 |
PE2/PE12 |
PF7/PH6 |
PG13 |
|
NSS |
PA4/PA15 |
PB9/PB12/PI0 |
PA4/PA15 |
PE4/PE11 |
PF6/PH5 |
PG8 |
其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的设备，最高通信速率达45Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为22.5Mbits/s。除了通讯速率，在其它功能上没有差异。
2. 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fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率，计算方法见表 243。
表 243 BR位对fpclk的分频
|
BR[0:2] |
分频结果(SCK频率) |
BR[0:2] |
分频结果(SCK频率) |
|
|
000 |
fpclk/2 |
100 |
fpclk/32 |
|
|
001 |
fpclk/4 |
101 |
fpclk/64 |
|
|
010 |
fpclk/8 |
110 |
fpclk/128 |
|
|
011 |
fpclk/16 |
111 |
fpclk/256 |
其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率，APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。
通过配置"控制寄存器CR"的"CPOL位"及"CPHA"位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。
3. 数据控制逻辑
SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以"发送缓冲区"为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到"接收缓冲区"中。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"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先行还是LSB先行。
4. 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我们配置的"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)"，我们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，我们一般不使用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。
24.2.3 通讯过程
STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对"状态寄存器SR"的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
图 246中的是"主模式"流程，即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。
图 246 主发送器通讯过程
主模式收发流程及事件说明如下：
(1) 控制NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；
(2) 把要发送的数据写入到"数据寄存器DR"中，该数据会被存储到发送缓冲区；
(3) 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
(4) 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；
(5) 等待到"TXE标志位"为1时，若还要继续发送数据，则再次往"数据寄存器DR"写入数据即可；等待到"RXNE标志位"为1时，通过读取"数据寄存器DR"可以获取接收缓冲区中的内容。
假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发"数据寄存器DR"中的数据。
24.3 SPI初始化结构体详解
跟其它外设一样，STM32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置SPI外设。初始化结构体及函数定义在库文件"stm32f4xx_spi.h"及"stm32f4xx_spi.c"中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对SPI外设运用自如了，见代码清单 241。
代码清单 241 SPI初始化结构体
1 typedef struct
2 {
3 uint16_t SPI_Direction; /*设置SPI的单双向模式 */
4 uint16_t SPI_Mode; /*设置SPI的主/从机端模式 */
5 uint16_t SPI_DataSize; /*设置SPI的数据帧长度，可选8/16位 */
6 uint16_t SPI_CPOL; /*设置时钟极性CPOL，可选高/低电平*/
7 uint16_t SPI_CPHA; /*设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */
8 uint16_t SPI_NSS; /*设置NSS引脚由SPI硬件控制还是软件控制*/
9 uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*设置时钟分频因子，fpclk/分频数=fSCK */
10 uint16_t SPI_FirstBit; /*设置MSB/LSB先行 */
11 uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*设置CRC校验的表达式 */
12 } SPI_InitTypeDef;
这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32标准库中定义的宏：
(1) SPI_Direction
本成员设置SPI的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。
(2) SPI_Mode
本成员设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave )，这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，STM32的SPI外设将接受外来的SCK信号。
(3) SPI_DataSize
本成员可以选择SPI通讯的数据帧大小是为8位(SPI_DataSize_8b)还是16位(SPI_DataSize_16b)。
(4) SPI_CPOL和SPI_CPHA
这两个成员配置SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA，这两个配置影响到SPI的通讯模式，关于CPOL和CPHA的说明参考前面"通讯模式"小节。
时钟极性CPOL成员，可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low )。
时钟相位CPHA 则可以设置为SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge (在SCK的偶数边沿采集数据) 。
(5) SPI_NSS
本成员配置NSS引脚的使用模式，可以选择为硬件模式(SPI_NSS_Hard )与软件模式(SPI_NSS_Soft )，在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生，而软件模式则需要我们亲自把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。
(6) SPI_BaudRatePrescaler
本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分频。
(7) SPI_FirstBit
所有串行的通讯协议都会有MSB先行(高位数据在前)还是LSB先行(低位数据在前)的问题，而STM32的SPI模块可以通过这个结构体成员，对这个特性编程控制。
(8) SPI_CRCPolynomial
这是SPI的CRC校验中的多项式，若我们使用CRC校验时，就使用这个成员的参数(多项式)，来计算CRC的值。
配置完这些结构体成员后，我们要调用SPI_Init函数把这些参数写入到寄存器中，实现SPI的初始化，然后调用SPI_Cmd来使能SPI外设。
24.4 SPI—读写串行FLASH实验
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。我们生活中常用的U盘、SD卡、SSD固态硬盘以及我们STM32芯片内部用于存储程序的设备，都是FLASH类型的存储器。在存储控制上，最主要的区别是FLASH芯片只能一大片一大片地擦写，而在"I2C章节"中我们了解到EEPROM可以单个字节擦写。
本小节以一种使用SPI通讯的串行FLASH存储芯片的读写实验为大家讲解STM32的SPI使用方法。实验中STM32的SPI外设采用主模式，通过查询事件的方式来确保正常通讯。
24.4.1 硬件设计
图 247 SPI串行FLASH硬件连接图
本实验板中的FLASH芯片(型号：W25Q128)是一种使用SPI通讯协议的NOR FLASH存储器，它的CS/CLK/DIO/DO引脚分别连接到了STM32对应的SDI引脚NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中STM32的NSS引脚是一个普通的GPIO，不是SPI的专用NSS引脚，所以程序中我们要使用软件控制的方式。
FLASH芯片中还有WP和HOLD引脚。WP引脚可控制写保护功能，当该引脚为低电平时，禁止写入数据。我们直接接电源，不使用写保护功能。HOLD引脚可用于暂停通讯，该引脚为低电平时，通讯暂停，数据输出引脚输出高阻抗状态，时钟和数据输入引脚无效。我们直接接电源，不使用通讯暂停功能。
关于FLASH芯片的更多信息，可参考其数据手册《W25Q128》来了解。若您使用的实验板FLASH的型号或控制引脚不一样，只需根据我们的工程修改即可，程序的控制原理相同。
24.4.2 软件设计
为了使工程更加有条理，我们把读写FLASH相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_spi_flash.c"及"bsp_spi_ flash.h"文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
1. 编程要点
(7) 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟；
(8) 使能SPI外设的时钟；
(9) 配置SPI外设的模式、地址、速率等参数并使能SPI外设；
(10) 编写基本SPI按字节收发的函数；
(11) 编写对FLASH擦除及读写操作的的函数；
(12) 编写测试程序，对读写数据进行校验。
2. 代码分析
SPI硬件相关宏定义
我们把SPI硬件相关的配置都以宏的形式定义到"bsp_spi_ flash.h"文件中，见代码清单 242。
代码清单 242 SPI硬件配置相关的宏
1 //SPI号及时钟初始化函数
2 #define FLASH_SPI SPI3
3 #define FLASH_SPI_CLK RCC_APB1Periph_SPI3
4 #define FLASH_SPI_CLK_INIT RCC_APB1PeriphClockCmd
5 //SCK引脚
6 #define FLASH_SPI_SCK_PIN GPIO_Pin_3
7 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOB
8 #define FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB
9 #define FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE GPIO_PinSource3
10 #define FLASH_SPI_SCK_AF GPIO_AF_SPI3
11 //MISO引脚
12 #define FLASH_SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_4
13 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOB
14 #define FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB
15 #define FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE GPIO_PinSource4
16 #define FLASH_SPI_MISO_AF GPIO_AF_SPI3
17 //MOSI引脚
18 #define FLASH_SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_5
19 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOB
20 #define FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOB
21 #define FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE GPIO_PinSource5
22 #define FLASH_SPI_MOSI_AF GPIO_AF_SPI3
23 //CS(NSS)引脚
24 #define FLASH_CS_PIN GPIO_Pin_8
25 #define FLASH_CS_GPIO_PORT GPIOI
26 #define FLASH_CS_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOI
27
28 //控制CS(NSS)引脚输出低电平
29 #define SPI_FLASH_CS_LOW() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRH=FLASH_CS_PIN;}
30 //控制CS(NSS)引脚输出高电平
31 #define SPI_FLASH_CS_HIGH() {FLASH_CS_GPIO_PORT->BSRRL=FLASH_CS_PIN;}
以上代码根据硬件连接，把与FLASH通讯使用的SPI号、引脚号、引脚源以及复用功能映射都以宏封装起来，并且定义了控制CS(NSS)引脚输出电平的宏，以便配置产生起始和停止信号时使用。
初始化SPI的 GPIO
利用上面的宏，编写SPI的初始化函数，见代码清单 243。
代码清单 243 SPI的初始化函数(GPIO初始化部分)
1
2 /**
3 * @brief SPI_FLASH初始化
4 * @param 无
5 * @retval 无
6 */
7 void SPI_FLASH_Init(void)
8 {
9 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
10
11 /* 使能 FLASH_SPI 及 GPIO 时钟 */
12 /*!< SPI_FLASH_SPI_CS_GPIO, SPI_FLASH_SPI_MOSI_GPIO,
13 SPI_FLASH_SPI_MISO_GPIO和 SPI_FLASH_SPI_SCK_GPIO 时钟使能 */
14 RCC_AHB1PeriphClockCmd (FLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK | FLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK|
15 FLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK|FLASH_CS_GPIO_CLK, ENABLE);
16
17 /*!< SPI_FLASH_SPI 时钟使能 */
18 FLASH_SPI_CLK_INIT(FLASH_SPI_CLK, ENABLE);
19
20 //设置引脚复用
21 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT,FLASH_SPI_SCK_PINSOURCE,
22 FLASH_SPI_SCK_AF);
23 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MISO_PINSOURCE,
24 FLASH_SPI_MISO_AF);
25 GPIO_PinAFConfig(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT,FLASH_SPI_MOSI_PINSOURCE,
26 FLASH_SPI_MOSI_AF);
27
28 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: SCK */
29 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;
30 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
31 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
32 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
33 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
35
36 GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
37
38 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MISO */
39 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;
40 GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
41
42 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: MOSI */
43 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;
44 GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
45
46 /*!< 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: CS */
47 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_CS_PIN;
48 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
49 GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
50
51 /* 停止信号 FLASH: CS引脚高电平*/
52 SPI_FLASH_CS_HIGH();
53 /*为方便讲解，以下省略SPI模式初始化部分*/
54 //......
55 }
与所有使用到GPIO的外设一样，都要先把使用到的GPIO引脚模式初始化，配置好复用功能。GPIO初始化流程如下：
(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置；
(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能SPI引脚使用的GPIO端口时钟，调用时使用"|"操作同时配置多个引脚。调用宏FLASH_SPI_CLK_INIT使能SPI外设时钟(该宏封装了APB时钟使能的库函数)。
(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把SCK/MOSI/MISO引脚初始化成复用推挽模式。而CS(NSS)引脚由于使用软件控制，我们把它配置为普通的推挽输出模式。
(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化。
配置SPI的模式
以上只是配置了SPI使用的引脚，对SPI外设模式的配置。在配置STM32的SPI模式前，我们要先了解从机端的SPI模式。本例子中可通过查阅FLASH数据手册《W25Q128》获取。根据FLASH芯片的说明，它支持SPI模式0及模式3，支持双线全双工，使用MSB先行模式，支持最高通讯时钟为104MHz，数据帧长度为8位。我们要把STM32的SPI外设中的这些参数配置一致。见代码清单 244。
代码清单 244 配置SPI模式
1 /**
2 * @brief SPI_FLASH引脚初始化
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
6 void SPI_FLASH_Init(void)
7 {
8 /*为方便讲解，省略了SPI的GPIO初始化部分*/
9 //......
10
11 SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
12 /* FLASH_SPI 模式配置 */
13 // FLASH芯片支持SPI模式0及模式3，据此设置CPOL CPHA
14 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
15 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
16 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
17 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
18 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
19 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
20 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;
21 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
22 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
23 SPI_Init(FLASH_SPI, &SPI_InitStructure);
24
25 /* 使能 FLASH_SPI */
26 SPI_Cmd(FLASH_SPI, ENABLE);
27 }
这段代码中，把STM32的SPI外设配置为主机端，双线全双工模式，数据帧长度为8位，使用SPI模式3(CPOL=1，CPHA=1)，NSS引脚由软件控制以及MSB先行模式。最后一个成员为CRC计算式，由于我们与FLASH芯片通讯不需要CRC校验，并没有使能SPI的CRC功能，这时CRC计算式的成员值是无效的。
赋值结束后调用库函数SPI_Init把这些配置写入寄存器，并调用SPI_Cmd函数使能外设。
使用SPI发送和接收一个字节的数据
初始化好SPI外设后，就可以使用SPI通讯了，复杂的数据通讯都是由单个字节数据收发组成的，我们看看它的代码实现，见代码清单 245。
代码清单 245 使用SPI发送和接收一个字节的数据
1 #define Dummy_Byte 0xFF
2 /**
3 * @brief 使用SPI发送一个字节的数据
4 * @param byte：要发送的数据
5 * @retval 返回接收到的数据
6 */
7 u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
8 {
9 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
10
11 /* 等待发送缓冲区为空，TXE事件 */
12 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
13 {
14 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
15 }
16
17 /* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */
18 SPI_I2S_SendData(FLASH_SPI, byte);
19
20 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
21
22 /* 等待接收缓冲区非空，RXNE事件 */
23 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPI, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
24 {
25 if ((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
26 }
27
28 /* 读取数据寄存器，获取接收缓冲区数据 */
29 return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);
30 }
31
32 /**
33 * @brief 使用SPI读取一个字节的数据
34 * @param 无
35 * @retval 返回接收到的数据
36 */
37 u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
38 {
39 return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));
40 }
SPI_FLASH_SendByte发送单字节函数中包含了等待事件的超时处理，这部分原理跟I2C中的一样，在此不再赘述。
SPI_FLASH_SendByte函数实现了前面讲解的"SPI通讯过程"：
(1) 本函数中不包含SPI起始和停止信号，只是收发的主要过程，所以在调用本函数前后要做好起始和停止信号的操作；
(2) 对SPITimeout变量赋值为宏SPIT_FLAG_TIMEOUT。这个SPITimeout变量在下面的while循环中每次循环减1，该循环通过调用库函数SPI_I2S_GetFlagStatus检测事件，若检测到事件，则进入通讯的下一阶段，若未检测到事件则停留在此处一直检测，当检测SPIT_FLAG_TIMEOUT次都还没等待到事件则认为通讯失败，调用的SPI_TIMEOUT_UserCallback输出调试信息，并退出通讯；
(3) 通过检测TXE标志，获取发送缓冲区的状态，若发送缓冲区为空，则表示可能存在的上一个数据已经发送完毕；
(4) 等待至发送缓冲区为空后，调用库函数SPI_I2S_SendData把要发送的数据"byte"写入到SPI的数据寄存器DR，写入SPI数据寄存器的数据会存储到发送缓冲区，由SPI外设发送出去；
(5) 写入完毕后等待RXNE事件，即接收缓冲区非空事件。由于SPI双线全双工模式下MOSI与MISO数据传输是同步的(请对比"SPI通讯过程"阅读)，当接收缓冲区非空时，表示上面的数据发送完毕，且接收缓冲区也收到新的数据；
(6) 等待至接收缓冲区非空时，通过调用库函数SPI_I2S_ReceiveData读取SPI的数据寄存器DR，就可以获取接收缓冲区中的新数据了。代码中使用关键字"return"把接收到的这个数据作为SPI_FLASH_SendByte函数的返回值，所以我们可以看到在下面定义的SPI接收数据函数SPI_FLASH_ReadByte，它只是简单地调用了SPI_FLASH_SendByte函数发送数据"Dummy_Byte"，然后获取其返回值(因为不关注发送的数据，所以此时的输入参数"Dummy_Byte"可以为任意值)。可以这样做的原因是SPI的接收过程和发送过程实质是一样的，收发同步进行，关键在于我们的上层应用中，关注的是发送还是接收的数据。
控制FLASH的指令
搞定SPI的基本收发单元后，还需要了解如何对FLASH芯片进行读写。FLASH芯片自定义了很多指令，我们通过控制STM32利用SPI总线向FLASH芯片发送指令，FLASH芯片收到后就会执行相应的操作。
而这些指令，对主机端(STM32)来说，只是它遵守最基本的SPI通讯协议发送出的数据，但在设备端(FLASH芯片)把这些数据解释成不同的意义，所以才成为指令。查看FLASH芯片的数据手册《W25Q128》，可了解各种它定义的各种指令的功能及指令格式，见表 244。
表 244 FLASH常用芯片指令表(摘自规格书《W25Q128》)
|
指令 |
第一字节(指令编码) |
第二字节 |
第三字节 |
第四字节 |
第五字节 |
第六字节 |
第七-N字节 |
|
Write Enable |
06h |
|
|
|
|
|
|
|
Write Disable |
04h |
|
|
|
|
|
|
|
Read Status Register |
05h |
(S7–S0) |
|
|
|
|
|
|
Write Status Register |
01h |
(S7–S0) |
|
|
|
|
|
|
Read Data |
03h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
(D7–D0) |
(Next byte) |
continuous |
|
Fast Read |
0Bh |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
dummy |
(D7–D0) |
(Next Byte) continuous |
|
Fast Read Dual Output |
3Bh |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
dummy |
I/O = (D6,D4,D2,D0) O = (D7,D5,D3,D1) |
(one byte per 4 clocks, continuous) |
|
Page Program |
02h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
D7–D0 |
Next byte |
Up to 256 bytes |
|
Block Erase(64KB) |
D8h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
|
|
|
|
Sector Erase(4KB) |
20h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
|
|
|
|
Chip Erase |
C7h |
|
|
|
|
|
|
|
Power-down |
B9h |
|
|
|
|
|
|
|
Release Power- down / Device ID |
ABh |
dummy |
dummy |
dummy |
(ID7-ID0) |
|
|
|
Manufacturer/ Device ID |
90h |
dummy |
dummy |
00h |
(M7-M0) |
(ID7-ID0) |
|
|
JEDEC ID |
9Fh |
(M7-M0) 生产厂商 |
(ID15-ID8) 存储器类型 |
(ID7-ID0) 容量 |
|
|
|
该表中的第一列为指令名，第二列为指令编码，第三至第N列的具体内容根据指令的不同而有不同的含义。其中带括号的字节参数，方向为FLASH向主机传输，即命令响应，不带括号的则为主机向FLASH传输。表中"A0~A23"指FLASH芯片内部存储器组织的地址；"M0~M7"为厂商号（MANUFACTURER ID）；"ID0-ID15"为FLASH芯片的ID；"dummy"指该处可为任意数据；"D0~D7"为FLASH内部存储矩阵的内容。
在FLSAH芯片内部，存储有固定的厂商编号(M7-M0)和不同类型FLASH芯片独有的编号(ID15-ID0)，见表 245。
表 245 FLASH数据手册的设备ID说明
|
FLASH型号 |
厂商号(M7-M0) |
FLASH型号(ID15-ID0) |
|
W25Q64 |
EF h |
4017 h |
|
W25Q128 |
EF h |
4018 h |
通过指令表中的读ID指令"JEDEC ID"可以获取这两个编号，该指令编码为"9F h"，其中"9F h"是指16进制数"9F" (相当于C语言中的0x9F)。紧跟指令编码的三个字节分别为FLASH芯片输出的"(M7-M0)"、"(ID15-ID8)"及"(ID7-ID0)"。
此处我们以该指令为例，配合其指令时序图进行讲解，见图 248。
图 248 FLASH读ID指令"JEDEC ID"的时序(摘自规格书《W25Q128》)
主机首先通过MOSI线向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。常见的应用是主机端通过读取设备ID来测试硬件是否连接正常，或用于识别设备。
对于FLASH芯片的其它指令，都是类似的，只是有的指令包含多个字节，或者响应包含更多的数据。
实际上，编写设备驱动都是有一定的规律可循的。首先我们要确定设备使用的是什么通讯协议。如上一章的EEPROM使用的是I2C，本章的FLASH使用的是SPI。那么我们就先根据它的通讯协议，选择好STM32的硬件模块，并进行相应的I2C或SPI模块初始化。接着，我们要了解目标设备的相关指令，因为不同的设备，都会有相应的不同的指令。如EEPROM中会把第一个数据解释为内部存储矩阵的地址(实质就是指令)。而FLASH则定义了更多的指令，有写指令，读指令，读ID指令等等。最后，我们根据这些指令的格式要求，使用通讯协议向设备发送指令，达到控制设备的目标。
定义FLASH指令编码表
为了方便使用，我们把FLASH芯片的常用指令编码使用宏来封装起来，后面需要发送指令编码的时候我们直接使用这些宏即可，见代码清单 246。
代码清单 246 FLASH指令编码表
1 /*FLASH常用命令*/
2 #define W25X_WriteEnable 0x06
3 #define W25X_WriteDisable 0x04
4 #define W25X_ReadStatusReg 0x05
5 #define W25X_WriteStatusReg 0x01
6 #define W25X_ReadData 0x03
7 #define W25X_FastReadData 0x0B
8 #define W25X_FastReadDual 0x3B
9 #define W25X_PageProgram 0x02
10 #define W25X_BlockErase 0xD8
11 #define W25X_SectorErase 0x20
12 #define W25X_ChipErase 0xC7
13 #define W25X_PowerDown 0xB9
14 #define W25X_ReleasePowerDown 0xAB
15 #define W25X_DeviceID 0xAB
16 #define W25X_ManufactDeviceID 0x90
17 #define W25X_JedecDeviceID 0x9F
18 /*其它*/
19 #define sFLASH_ID 0XEF4018
20 #define Dummy_Byte 0xFF
读取FLASH芯片ID
根据"JEDEC"指令的时序，我们把读取FLASH ID的过程编写成一个函数，见代码清单 247。
代码清单 247 读取FLASH芯片ID
1 /**
2 * @brief 读取FLASH ID
3 * @param 无
4 * @retval FLASH ID
5 */
6 u32 SPI_FLASH_ReadID(void)
7 {
8 u32 Temp = 0, Temp0 = 0, Temp1 = 0, Temp2 = 0;
9
10 /* 开始通讯：CS低电平 */
11 SPI_FLASH_CS_LOW();
12
13 /* 发送JEDEC指令，读取ID */
14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_JedecDeviceID);
15
16 /* 读取一个字节数据 */
17 Temp0 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
18
19 /* 读取一个字节数据 */
20 Temp1 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
21
22 /* 读取一个字节数据 */
23 Temp2 = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
24
25 /* 停止通讯：CS高电平 */
26 SPI_FLASH_CS_HIGH();
27
28 /*把数据组合起来，作为函数的返回值*/
29 Temp = (Temp0 << 16) | (Temp1 << 8) | Temp2;
30
31 return Temp;
32 }
这段代码利用控制CS引脚电平的宏"SPI_FLASH_CS_LOW/HIGH"以及前面编写的单字节收发函数SPI_FLASH_SendByte，很清晰地实现了"JEDEC ID"指令的时序：发送一个字节的指令编码"W25X_JedecDeviceID"，然后读取3个字节，获取FLASH芯片对该指令的响应，最后把读取到的这3个数据合并到一个变量Temp中，然后作为函数返回值，把该返回值与我们定义的宏"sFLASH_ID"对比，即可知道FLASH芯片是否正常。
FLASH写使能以及读取当前状态
在向FLASH芯片存储矩阵写入数据前，首先要使能写操作，通过"Write Enable"命令即可写使能，见代码清单 248。
代码清单 248 写使能命令
1 /**
2 * @brief 向FLASH发送写使能命令
3 * @param none
4 * @retval none
5 */
6 void SPI_FLASH_WriteEnable(void)
7 {
8 /* 通讯开始：CS低 */
9 SPI_FLASH_CS_LOW();
10
11 /* 发送写使能命令*/
12 SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable);
13
14 /*通讯结束：CS高 */
15 SPI_FLASH_CS_HIGH();
16 }
与EEPROM一样，由于FLASH芯片向内部存储矩阵写入数据需要消耗一定的时间，并不是在总线通讯结束的一瞬间完成的，所以在写操作后需要确认FLASH芯片"空闲"时才能进行再次写入。为了表示自己的工作状态，FLASH芯片定义了一个状态寄存器，见图 249。
图 249 FLASH芯片的状态寄存器
我们只关注这个状态寄存器的第0位"BUSY"，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。
利用指令表中的"Read Status Register"指令可以获取FLASH芯片状态寄存器的内容，其时序见图 2410。
图 2410 读取状态寄存器的时序
只要向FLASH芯片发送了读状态寄存器的指令，FLASH芯片就会持续向主机返回最新的状态寄存器内容，直到收到SPI通讯的停止信号。据此我们编写了具有等待FLASH芯片写入结束功能的函数，见代码清单 249。
代码清单 249 通过读状态寄存器等待FLASH芯片空闲
1 /*WIP(BUSY)标志：FLASH内部正在写入*/
2 #define WIP_Flag 0x01
3
4 /**
5 * @brief 等待WIP(BUSY)标志被置0，即等待到FLASH内部数据写入完毕
6 * @param none
7 * @retval none
8 */
9 void SPI_FLASH_WaitForWriteEnd(void)
10 {
11 u8 FLASH_Status = 0;
12 /* 选择 FLASH: CS 低 */
13 SPI_FLASH_CS_LOW();
14
15 /* 发送读状态寄存器命令 */
16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg);
17
18 SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
19 /* 若FLASH忙碌，则等待 */
20 do
21 {
22 /* 读取FLASH芯片的状态寄存器 */
23 FLASH_Status = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
24 if ((SPITimeout--) == 0)
25 {
26 SPI_TIMEOUT_UserCallback(4);
27 return;
28 }
29 }
30 while ((FLASH_Status & WIP_Flag) == SET); /* 正在写入标志 */
31
32 /* 停止信号 FLASH: CS 高 */
33 SPI_FLASH_CS_HIGH();
34 }
这段代码发送读状态寄存器的指令编码"W25X_ReadStatusReg"后，在while循环里持续获取寄存器的内容并检验它的"WIP_Flag标志"(即BUSY位)，一直等待到该标志表示写入结束时才退出本函数，以便继续后面与FLASH芯片的数据通讯。
FLASH扇区擦除
由于FLASH存储器的特性决定了它只能把原来为"1"的数据位改写成"0"，而原来为"0"的数据位不能直接改写为"1"。所以这里涉及到数据"擦除"的概念，在写入前，必须要对目标存储矩阵进行擦除操作，把矩阵中的数据位擦除为"1"，在数据写入的时候，如果要存储数据"1"，那就不修改存储矩阵，在要存储数据"0"时，才更改该位。
通常，对存储矩阵擦除的基本操作单位都是多个字节进行，如本例子中的FLASH芯片支持"扇区擦除"、"块擦除"以及"整片擦除"，见表 246。
表 246 本实验FLASH芯片的擦除单位
|
擦除单位 |
大小 |
|
扇区擦除Sector Erase |
4KB |
|
块擦除Block Erase |
64KB |
|
整片擦除Chip Erase |
整个芯片完全擦除 |
FLASH芯片的最小擦除单位为扇区(Sector)，而一个块(Block)包含16个扇区，其内部存储矩阵分布见图 2411。。
图 2411 FLASH芯片的存储矩阵
使用扇区擦除指令"Sector Erase"可控制FLASH芯片开始擦写，其指令时序见图 2414。
图 2412 扇区擦除时序
扇区擦除指令的第一个字节为指令编码，紧接着发送的3个字节用于表示要擦除的存储矩阵地址。要注意的是在扇区擦除指令前，还需要先发送"写使能"指令，发送扇区擦除指令后，通过读取寄存器状态等待扇区擦除操作完毕，代码实现见代码清单 2410。
代码清单 2410 擦除扇区
1 /**
2 * @brief 擦除FLASH扇区
3 * @param SectorAddr：要擦除的扇区地址
4 * @retval 无
5 */
6 void SPI_FLASH_SectorErase(u32 SectorAddr)
7 {
8 /* 发送FLASH写使能命令 */
9 SPI_FLASH_WriteEnable();
10 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
11 /* 擦除扇区 */
12 /* 选择FLASH: CS低电平 */
13 SPI_FLASH_CS_LOW();
14 /* 发送扇区擦除指令*/
15 SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase);
16 /*发送擦除扇区地址的高位*/
17 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF0000) >> 16);
18 /* 发送擦除扇区地址的中位 */
19 SPI_FLASH_SendByte((SectorAddr & 0xFF00) >> 8);
20 /* 发送擦除扇区地址的低位 */
21 SPI_FLASH_SendByte(SectorAddr & 0xFF);
22 /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
23 SPI_FLASH_CS_HIGH();
24 /* 等待擦除完毕*/
25 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
26 }
这段代码调用的函数在前面都已讲解，只要注意发送擦除地址时高位在前即可。调用扇区擦除指令时注意输入的地址要对齐到4KB。
FLASH的页写入
目标扇区被擦除完毕后，就可以向它写入数据了。与EEPROM类似，FLASH芯片也有页写入命令，使用页写入命令最多可以一次向FLASH传输256个字节的数据，我们把这个单位为页大小。FLASH页写入的时序见图 2413。
图 2413 FLASH芯片页写入
从时序图可知，第1个字节为"页写入指令"编码，2-4字节为要写入的"地址A"，接着的是要写入的内容，最多个可以发送256字节数据，这些数据将会从"地址A"开始，按顺序写入到FLASH的存储矩阵。若发送的数据超出256个，则会覆盖前面发送的数据。
与擦除指令不一样，页写入指令的地址并不要求按256字节对齐，只要确认目标存储单元是擦除状态即可(即被擦除后没有被写入过)。所以，若对"地址x"执行页写入指令后，发送了200个字节数据后终止通讯，下一次再执行页写入指令，从"地址(x+200)"开始写入200个字节也是没有问题的(小于256均可)。只是在实际应用中由于基本擦除单元是4KB，一般都以扇区为单位进行读写，想深入了解，可学习我们的"FLASH文件系统"相关的例子。
把页写入时序封装成函数，其实现见代码清单 2411。
代码清单 2411 FLASH的页写入
1 /**
2 * @brief 对FLASH按页写入数据，调用本函数写入数据前需要先擦除扇区
3 * @param pBuffer，要写入数据的指针
4 * @param WriteAddr，写入地址
5 * @param NumByteToWrite，写入数据长度，必须小于等于页大小
6 * @retval 无
7 */
8 void SPI_FLASH_PageWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
9 {
10 /* 发送FLASH写使能命令 */
11 SPI_FLASH_WriteEnable();
12
13 /* 选择FLASH: CS低电平 */
14 SPI_FLASH_CS_LOW();
15 /* 写送写指令*/
16 SPI_FLASH_SendByte(W25X_PageProgram);
17 /*发送写地址的高位*/
18 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF0000) >> 16);
19 /*发送写地址的中位*/
20 SPI_FLASH_SendByte((WriteAddr & 0xFF00) >> 8);
21 /*发送写地址的低位*/
22 SPI_FLASH_SendByte(WriteAddr & 0xFF);
23
24 if (NumByteToWrite > SPI_FLASH_PerWritePageSize)
25 {
26 NumByteToWrite = SPI_FLASH_PerWritePageSize;
27 FLASH_ERROR("SPI_FLASH_PageWrite too large!");
28 }
29
30 /* 写入数据*/
31 while (NumByteToWrite--)
32 {
33 /* 发送当前要写入的字节数据 */
34 SPI_FLASH_SendByte(*pBuffer);
35 /* 指向下一字节数据 */
36 pBuffer++;
37 }
38
39 /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
40 SPI_FLASH_CS_HIGH();
41
42 /* 等待写入完毕*/
43 SPI_FLASH_WaitForWriteEnd();
44 }
这段代码的内容为：先发送"写使能"命令，接着才开始页写入时序，然后发送指令编码、地址，再把要写入的数据一个接一个地发送出去，发送完后结束通讯，检查FLASH状态寄存器，等待FLASH内部写入结束。
不定量数据写入
应用的时候我们常常要写入不定量的数据，直接调用"页写入"函数并不是特别方便，所以我们在它的基础上编写了"不定量数据写入"的函数，基实现见代码清单 2412。
代码清单 2412不定量数据写入
1 /**
2 * @brief 对FLASH写入数据，调用本函数写入数据前需要先擦除扇区
3 * @param pBuffer，要写入数据的指针
4 * @param WriteAddr，写入地址
5 * @param NumByteToWrite，写入数据长度
6 * @retval 无
7 */
8 void SPI_FLASH_BufferWrite(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
9 {
10 u8 NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0, temp = 0;
11
12 /*mod运算求余，若writeAddr是SPI_FLASH_PageSize整数倍，运算结果Addr值为0*/
13 Addr = WriteAddr % SPI_FLASH_PageSize;
14
15 /*差count个数据值，刚好可以对齐到页地址*/
16 count = SPI_FLASH_PageSize - Addr;
17 /*计算出要写多少整数页*/
18 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
19 /*mod运算求余，计算出剩余不满一页的字节数*/
20 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;
21
22 /* Addr=0,则WriteAddr 刚好按页对齐 aligned */
23 if (Addr == 0)
24 {
25 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */
26 if (NumOfPage == 0)
27 {
28 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
29 }
30 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */
31 {
32 /*先把整数页都写了*/
33 while (NumOfPage--)
34 {
35 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
36 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;
37 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
38 }
39
40 /*若有多余的不满一页的数据，把它写完*/
41 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
42 }
43 }
44 /* 若地址与 SPI_FLASH_PageSize 不对齐 */
45 else
46 {
47 /* NumByteToWrite < SPI_FLASH_PageSize */
48 if (NumOfPage == 0)
49 {
50 /*当前页剩余的count个位置比NumOfSingle小，写不完*/
51 if (NumOfSingle > count)
52 {
53 temp = NumOfSingle - count;
54
55 /*先写满当前页*/
56 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
57 WriteAddr += count;
58 pBuffer += count;
59
60 /*再写剩余的数据*/
61 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, temp);
62 }
63 else /*当前页剩余的count个位置能写完NumOfSingle个数据*/
64 {
65 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumByteToWrite);
66 }
67 }
68 else /* NumByteToWrite > SPI_FLASH_PageSize */
69 {
70 /*地址不对齐多出的count分开处理，不加入这个运算*/
71 NumByteToWrite -= count;
72 NumOfPage = NumByteToWrite / SPI_FLASH_PageSize;
73 NumOfSingle = NumByteToWrite % SPI_FLASH_PageSize;
74
75 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
76 WriteAddr += count;
77 pBuffer += count;
78
79 /*把整数页都写了*/
80 while (NumOfPage--)
81 {
82 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, SPI_FLASH_PageSize);
83 WriteAddr += SPI_FLASH_PageSize;
84 pBuffer += SPI_FLASH_PageSize;
85 }
86 /*若有多余的不满一页的数据，把它写完*/
87 if (NumOfSingle != 0)
88 {
89 SPI_FLASH_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
90 }
91 }
92 }
93 }
这段代码与EEPROM章节中的"快速写入多字节"函数原理是一样的，运算过程在此不再赘述。区别是页的大小以及实际数据写入的时候，使用的是针对FLASH芯片的页写入函数，且在实际调用这个"不定量数据写入"函数时，还要注意确保目标扇区处于擦除状态。
从FLASH读取数据
相对于写入，FLASH芯片的数据读取要简单得多，使用读取指令"Read Data"即可，其指令时序见图 2414。
图 2414 SPI FLASH读取数据时序
发送了指令编码及要读的起始地址后，FLASH芯片就会按地址递增的方式返回存储矩阵的内容，读取的数据量没有限制，只要没有停止通讯，FLASH芯片就会一直返回数据。代码实现见代码清单 2413。
代码清单 2413 从FLASH读取数据
1 /**
2 * @brief 读取FLASH数据
3 * @param pBuffer，存储读出数据的指针
4 * @param ReadAddr，读取地址
5 * @param NumByteToRead，读取数据长度
6 * @retval 无
7 */
8 void SPI_FLASH_BufferRead(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
9 {
10 /* 选择FLASH: CS低电平 */
11 SPI_FLASH_CS_LOW();
12
13 /* 发送读指令 */
14 SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData);
15
16 /* 发送读地址高位 */
17 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);
18 /* 发送读地址中位 */
19 SPI_FLASH_SendByte((ReadAddr& 0xFF00) >> 8);
20 /* 发送读地址低位 */
21 SPI_FLASH_SendByte(ReadAddr & 0xFF);
22
23 /* 读取数据 */
24 while (NumByteToRead--)
25 {
26 /* 读取一个字节*/
27 *pBuffer = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
28 /* 指向下一个字节缓冲区 */
29 pBuffer++;
30 }
31
32 /* 停止信号 FLASH: CS 高电平 */
33 SPI_FLASH_CS_HIGH();
34 }
由于读取的数据量没有限制，所以发送读命令后一直接收NumByteToRead个数据到结束即可。
3. main函数
最后我们来编写main函数，进行FLASH芯片读写校验，见代码清单 2414。
代码清单 2414 main函数
1 /* 获取缓冲区的长度 */
2 #define TxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)
3 #define RxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)
4 #define countof(a) (sizeof(a) / sizeof(*(a)))
5 #define BufferSize (countof(Tx_Buffer)-1)
6
7 #define FLASH_WriteAddress 0x00000
8 #define FLASH_ReadAddress FLASH_WriteAddress
9 #define FLASH_SectorToErase FLASH_WriteAddress
10
11
12 /* 发送缓冲区初始化 */
13 uint8_t Tx_Buffer[] = "感谢您选用秉火stm32开发板 ";
14 uint8_t Rx_Buffer[BufferSize];
15
16 //读取的ID存储位置
17 __IO uint32_t DeviceID = 0;
18 __IO uint32_t FlashID = 0;
19 __IO TestStatus TransferStatus1 = FAILED;
20
21 // 函数原型声明
22 void Delay(__IO uint32_t nCount);
23
24 /*
25 * 函数名：main
26 * 描述：主函数
27 * 输入：无
28 * 输出：无
29 */
30 int main(void)
31 {
32 LED_GPIO_Config();
33 LED_BLUE;
34
35 /* 配置串口1为：115200 8-N-1 */
36 Debug_USART_Config();
37
38 printf(" 这是一个16M串行flash(W25Q128)实验 ");
39
40 /* 16M串行flash W25Q128初始化 */
41 SPI_FLASH_Init();
42
43 Delay( 200 );
44
45 /* 获取 SPI Flash ID */
46 FlashID = SPI_FLASH_ReadID();
47
48 /* 检验 SPI Flash ID */
49 if (FlashID == sFLASH_ID)
50 {
51 printf(" 检测到SPI FLASH W25Q128 ! ");
52
53 /* 擦除将要写入的 SPI FLASH 扇区，FLASH写入前要先擦除 */
54 SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);
55
56 /* 将发送缓冲区的数据写到flash中 */
57 SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize);
58 printf(" 写入的数据为： %s", Tx_Buffer);
59
60 /* 将刚刚写入的数据读出来放到接收缓冲区中 */
61 SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize);
62 printf(" 读出的数据为： %s", Rx_Buffer);
63
64 /* 检查写入的数据与读出的数据是否相等 */
65 TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);
66
67 if ( PASSED == TransferStatus1 )
68 {
69 LED_GREEN;
70 printf(" 16M串行flash(W25Q128)测试成功! ");
71 }
72 else
73 {
74 LED_RED;
75 printf(" 16M串行flash(W25Q128)测试失败! ");
76 }
77 }// if (FlashID == sFLASH_ID)
78 else
79 {
80 LED_RED;
81 printf(" 获取不到 W25Q128 ID! ");
82 }
83
84 SPI_Flash_PowerDown();
85 while (1);
86 }
函数中初始化了LED、串口、SPI外设，然后读取FLASH芯片的ID进行校验，若ID校验通过则向FLASH的特定地址写入测试数据，然后再从该地址读取数据，测试读写是否正常。
注意：
由于实验板上的FLASH芯片默认已经存储了特定用途的数据，如擦除了这些数据会影响到某些程序的运行。所以我们预留了FLASH芯片的"第0扇区(0-4096地址)"专用于本实验，如非必要，请勿擦除其它地址的内容。如已擦除，可在配套资料里找到"刷外部FLASH内容"程序，根据其说明给FLASH重新写入出厂内容。
24.4.3 下载验证
用USB线连接开发板"USB TO UART"接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到FLASH测试的调试信息。
24.5 每课一问
1. 在SPI外设初始化部分，MISO引脚可以设置为输入模式吗？为什么？实际测试现象如何？
2. 尝试使用FLASH芯片存储int整型变量，float型浮点变量，编写程序写入数据，并读出校验。
3. 如果扇区未经擦除就写入，会有什么后果？请做实验验证。
4. 简述FLASH存储器与EEPROM存储器的区别。