SPI总线通信原理与实验
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
实验使用SPI协议对NM25Q128存储芯片进行读写。
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]);
}
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