STM32配置SPI通讯功能

作者:中国电子网 日期:2021-02-20 14:03:26 人气: 栏目:电工技术

一、SPI协议

串行外围设备接口,是一种高速全双工的通信总线。在ADC/LCD等与MCU间通信。

1、SPI信号线

SPI 包含 4 条总线,SPI 总线包含 4 条总线,分别为SS 、SCK、MOSI、MISO。 (1)SS(SlaveSelect):片选信号线,当有多个 SPI 设备与 MCU 相连时,每个设备的这个片选信号线是与 MCU 单独的引脚相连的,而其他的 SCK、MOSI、MISO 线则为多个设备并联到相同的 SPI 总线上,低电平有效。 (2)SCK (Serial Clock):时钟信号线,由主通信设备产生,不同的设备支持的时钟频率不一样,如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为 f PCLK /2。 (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,从机的数据则由这条信号线输出,即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2、SPI模式

根据 SPI 时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA) 配置的不同,分为 4 种 SPI 模式。时钟极性是指 SPI 通信设备处于空闲状态时(也可以认为这是 SPI 通信开始时,即SS 为低电平时),SCK 信号线的电平信号。CPOL=0 时, SCK 在空闲状态时为低电平,CPOL=1 时则相反。时钟相位是指数据采样的时刻,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。 首先,由主机把片选信号线SS 拉低,意为主机输出,在SS 被拉低的时刻,SCK 分为两种情况,若我们设置为 CPOL=0,则 SCK 时序在这个时刻为低电平,若设置为 CPOL=1,则 SCK 在这个时刻为高电平。采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿(注意奇数边沿有时为下降沿,有时为上升沿)。 CPHA=1时,数据信号的采样时刻为偶数边沿。

二、SPI特性及架构

(1)单次传输可选择为 8 或 16 位。 (2)波特率预分频系数(最大为 fPCLK/2) 。 (3)时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)可编程设置 。 (4)数据顺序的传输顺序可进行编程选择,MSB 在前或 LSB 在前。 (5)可触发中断的专用发送和接收标志。 (6)可以使用 DMA 进行数据传输操作。 MISO 数据线接收到的信号经移位寄存器处理后把数据转移到接收缓冲区,然后这个数据就可以由我们的软件从接收缓冲区读出了。 当要发送数据时,我们把数据写入发送缓冲区,硬件将会把它用移位寄存器处理后输出到 MOSI 数据线。 SCK 的时钟信号则由波特率发生器产生,我们可以通过波特率控制位(BR)来控制它输出的波特率。 控制寄存器 CR1 掌管着主控制电路,STM32 的 SPI 模块的协议设置(时钟极性、相位等)就是由它来制定的。 而控制寄存器 CR2 则用于设置各种中断使能。 最后为 NSS 引脚,这个引脚扮演着 SPI 协议中的SS 片选信号线的角色,如果我们把 NSS 引脚配置为硬件自动控制,SPI 模块能够自动判别它能否成为 SPI 的主机,或自动进入 SPI 从机模式。 但实际上我们用得更多的是由软件控制某些 GPIO 引脚单独作为SS信号,这个 GPIO 引脚可以随便选择。

三、SPI接口读取Flash

各信号线相应连接到 Flash(型号 :W25X16/W25Q16)的 CS、CLK、DO 和 DIO 线,实现SPI 通信,对 Flash进行读写,其中 W25X16 和 W25Q16 在程序上不同的地方是 FLASH 的ID 不一样。 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。

不同的设备都会相应的有不同的指令,如 EEPROM 中会把第一个数据解释为存储矩阵的地址(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。
SPI-FLASH通信: (1)配置 I/O端口,使能 GPIO。 (2)根据将要进行通信器件的 SPI模式,配置 STM32的 SPI,使能 SPI时钟。 (3)配置好 SPI后,根据各种 Flash定义的命令控制对它的读写。 注意,在操作Flash前要进行解锁操作。
main.c
int main(void) { /* 配置串口 1 为:115200 8-N-1 */ USART1_Config(); printf("\r\n 这是一个 2M 串行 flash(W25X16)实验 \r\n"); /* 2M 串行 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 检测到串行 flash W25X16 !\r\n");

    SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);
    SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress,  BufferSize); printf("\r\n 写入的数据为:%s \r\t", Tx_Buffer);

    SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize); printf("\r\n 读出的数据为:%s \r\n", Tx_Buffer); /* 检查写入的数据与读出的数据是否相等 */ TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize); if ( PASSED == TransferStatus1 )
    { printf("\r\n 2M 串行 flash(W25X16)测试成功!\n\r");
    } else { printf("\r\n 2M 串行 flash(W25X16)测试失败!\n\r");
    }
  }// if (FlashID == sFLASH_ID) else { printf("\r\n 获取不到 W25X16 ID!\n\r");

  }

  SPI_Flash_PowerDown(); while (1);
}
(1)调用 USART1Confi g() 初始化串口。 (2)调用 SPI_FLASH_Init() 初始化 SPI 模块。 (3)调用 SPI_FLASH_ReadDeviceID() 读取 Flash 器件生产厂商的 ID 信息。 (4)调用 SPI_FLASH_ReadID() 读取 Flash 器件的设备 ID 信息 (5)若读取得的ID正确, 则调用 SPI_FLASH_SectorErase()把 Flash 的内 容擦除,擦除后调用SPI_FLASH_BufferWrite() 向Flash 写入数据,然后再调用SPI_FLASH_BufferRead()从刚刚写入的地址中读出数据。最后调用 Buffercmp() 函数对写入的数据与读取的数据进行比较,若写入的数据与读出的数据相同,则把标志变量TransferStatus1 赋值为 PASSED(自定义的枚举变量)。 (6)最后调用 SPI_Flash_PowerDown()函数关闭 Flash 设备的电源,因为数据写入到Flash 后并不会因断电而丢失,我们在使用它时才重新开启 Flash 的电源。
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 的时序是由通信中的主机产生的。若被配置为从机模式,STM32 的 SPI 模块将接受外来的 SCK 信号。
(2)SPI_DataSize :SPI 每次通信的数据大小(称为数据帧)为 8 位还是 16 位。
(3)SPI_CPOL 和 SPI_CPHA :配置SPI的时钟极性(CPOL)和时钟相位CPHA),这两个配置影响到 SPI 的通信模式,该设置要符合将要互相通信的设备的要求。CPOL 分别可以取 SPI_CPOL_High(SPI 通信空闲时 SCK 为高电平)和SPI_CPOL_Low(SPI 通信空闲时 SCK 为低电平)。CPHA 则可以取 SPI_CPHA_1Edge(在 SCK 的奇数边沿采集数据) 和 SPI_CPHA_2Edge(在 SCK偶数边沿采集数据)。 (4)SPI_NSS :配置NSS引脚的使用模式,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。如果外界条件允许,硬件模式还会自动将 STM32 的 SPI 设置为主机。我们使用软件模式,向这个成员赋值为 SPI_NSS_Soft。 (5)SPI_BaudRatePrescaler:本成员设置波特率分频值,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 f PCLK 的 2、4、6、8、16、32、64、128、256 分频。赋值为 SPI_BaudRatePrescaler_4,即 f PCLK 的 4 分频。 (6)SPI_FirstBit:所有串行的通信协议都会有 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。据 Flash 的通信时序,我们向这个成员赋值为MSB先行(SPI_FirstBit_MSB)。 (7)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。由于本实验的 Flash 不支持 CRC校验,所以我们向这个结构体成员赋值为 7 实际上是没有意义的。 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寄存器中,实现SPI 的初始化,然后调用 SPI_Cmd() 来使能 SPI1。
读FLASH ID
#define Dummy_Byte   0xFF u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte) { // 等待发送数据寄存器清空 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

  SPI_I2S_SendData(SPI1, byte); // 向从机发送数据 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收数据寄存器非空 return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); // 获取接收寄存器中的数据 } 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;
}
读厂商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;
}
擦除FLASH内容
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();
}
向Flash写数据——分页
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);
      }
    }
  }
}

FLASH读
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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