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STM32——“SPI Flash”

article 2024/12/24 22:23:17

       引入

        在给单片机写程序的时候，有时会用到显示屏，就拿市面上的0.96寸单色显示器来说，一张全屏的图片就占用8x128=1024个字节，即1kb的空间，这对于单片机来说确实有点奢侈，于是我买了一个8Mb的SPI Flash，型号为华邦的W25Q64。

        在手册里很容易看到他的介绍：

        它支持四线的SPI，在很大程度上增加了读写速度，同时在H7系列中还可以用作扩展的Flash，自带的QSPI功能强大，但是在F1系列中没有QSPI的功能，因此这里只介绍用STM32的普通硬件SPI来驱动这块Flash。

        想要驱动这块Flash，首先要配置STM32的硬件SPI：

        一、配置SPI

SPI_HandleTypeDef	g_W25Qxx_Handle;

void SPI_Init()
{
	g_W25Qxx_Handle.Instance = SPIx;
	g_W25Qxx_Handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;

	g_W25Qxx_Handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
	g_W25Qxx_Handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
	g_W25Qxx_Handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
	g_W25Qxx_Handle.Init.CRCPolynomial = 1;
	g_W25Qxx_Handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
	g_W25Qxx_Handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
	g_W25Qxx_Handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
	g_W25Qxx_Handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
	g_W25Qxx_Handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
	g_W25Qxx_Handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;

	HAL_SPI_Init(&g_W25Qxx_Handle);
	
}

void SPI_GPIO_Init()
{
	SPI_FLASH_SCLK_RCC();
	SPI_FLASH_CS_RCC();
	SPI_FLASH_MISO_RCC();
	SPI_FLASH_MOSI_RCC();
	
	SPI_FLASH_SPI_RCC();

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pin = FLASH_SCLK_PIN;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(SPI_FLASH_SCLK_PORT,&GPIO_InitStruct);


	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
	GPIO_InitStruct.Pin = FLASH_MISO_PIN;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	HAL_GPIO_Init(SPI_FLASH_MISO_PORT, &GPIO_InitStruct);


	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pin = FLASH_MOSI_PIN;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(SPI_FLASH_MOSI_PORT,&GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 普通输出
	GPIO_InitStruct.Pin = FLASH_CCS_PIN;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(SPI_FLASH_CCS_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void SelectChip()
{
	HAL_GPIO_WritePin(SPI_FLASH_CCS_PORT,FLASH_CCS_PIN,GPIO_PIN_RESET);
}

void UnselectChip()
{
	HAL_GPIO_WritePin(SPI_FLASH_CCS_PORT,FLASH_CCS_PIN,GPIO_PIN_SET);
}

       引脚宏为：

#define SPIx				SPI1

#define	FLASH_CCS_PIN		GPIO_PIN_4
#define FLASH_SCLK_PIN		GPIO_PIN_5
#define FLASH_MISO_PIN		GPIO_PIN_6
#define FLASH_MOSI_PIN		GPIO_PIN_7

#define SPI_FLASH_SCLK_PORT		GPIOA
#define SPI_FLASH_CCS_PORT		GPIOA
#define SPI_FLASH_MISO_PORT		GPIOA
#define SPI_FLASH_MOSI_PORT		GPIOA


#define SPI_FLASH_SCLK_RCC()		__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SPI_FLASH_CS_RCC()			__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SPI_FLASH_MISO_RCC()		__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SPI_FLASH_MOSI_RCC()		__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define SPI_FLASH_SPI_RCC()		__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE()

        在SPI的配置上使用模式0或者模式3的高位先发，在这里我使用模式0，即：极性为低，相位是在第一个上升沿。

体现在上边的代码为：

	g_W25Qxx_Handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
	g_W25Qxx_Handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;

        由于在我写硬件SPI代码的过程中，遇到了不能准确识别芯片的问题，研究了很久，才发现是片选代码的问题，即：在写了OLED驱动之后由于思维惯性，我的想法是只要持续拉低片选就一直可以通信，但现实是的确可以通信，只是Flash貌似识别不了我发的命令。最后的解决方法是在每次通信之前拉低片选，通信完之后拉高片选。这里的通信是有命令发出的时候。

        解决完这个问题之后，首先要做的就是和Flash建立通信，即获取Flash的ID。

        二、查询ID

        在手册里，Flash的ID为：EF4017

        对应的查询命令为：0x9F

        第一个是厂商ID，后边的是芯片ID。

/*
**** 函数名 W25Q64GetID
**** 功能 W25Q64 读取设备ID号
**** 参数 无
**** 
*/

uint32_t W25Qxx_GetID()
{
	uint32_t ID = 0;
	uint8_t id[3];
	uint8_t cmd = JEDEC_ID;
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,&cmd,1,1000);
	HAL_SPI_Receive(&g_W25Qxx_Handle,id,3,1000);
	
	ID = (((((ID | id[0]) << 8) | id[1]) << 8) | id[2]);
	UnselectChip();
	return ID;
}

        这里发送命令，然后接收三个字节的ID，最后拼接ID并返回。

int main()
{
	
	HAL_Init();
	SystemClock_Config();
	OLED_Init();
	LED_Init();
	W25Qxx_Init();
	UsartInit(115200);
	
	printf("现在进行硬件SPI实验！\n\n");
	
	uint32_t id = W25Qxx_GetID();
	printf("芯片ID为：%X\n\n",id);

	while(1)
	{
	}
}

        执行后的效果如下：

        可见完全没问题。

        三、读状态寄存器

        接下来是写数据，但是在写数据之前需要写使能和擦除扇区，另外在进行这两个操作之前需要检查Flash是否繁忙，于是接下来是检查Flash的状态，即，检查状态寄存器1

        我们主要检查第一个寄存器的第一个比特位。然而检查第一个寄存器状态的命令是0x05

        返回之后对第一位进行检查：

/*
**** 函数名 W25Q64CheckBusy
**** 功能 W25Q64 读状态寄存器
**** 参数 无
**** 
*/
void W25Qxx_CheckBusy()
{
	uint8_t ret = 0;

	uint8_t cmd = ReadStatusRegister;
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,&cmd,1,1000);
	
	do{
		HAL_SPI_Receive(&g_W25Qxx_Handle,&ret,1,1000);
	}while((ret & 0x01) == 0x01);
	UnselectChip();
}

        倘若Flash繁忙，则第一位为1，反之为0，为1就一直检查，直到芯片空闲。

接下来是写使能。

        四、写使能

        Flash手册里提到：在进行写入，擦除，写状态寄存器等操作之前必须进行写使能。

        它对应的命令是0x06

/*
**** 函数名 W25Q64WriteEnable
**** 功能 W25Q64 写使能
**** 参数 无
**** 
*/
void W25Qxx_WriteEnable()
{
	uint8_t cmd = WriteEnable;
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,&cmd,1,1000);
	UnselectChip();
}

        准备工作进行完之后就是擦除了。

        五、擦除

        W25Q64的擦除命令有四个：扇区擦除（4kb）-0x20，块擦除（32kb）-0x52，块擦除（64kb）-0xD8，全片擦除-0x60。

        由于前三个的代码大同小异，因此只介绍一下第一个和最后一个。

        1.扇区擦除（4kb）

这里是需要输入地址的，因此在发送命令以后需要发送地址，大小为24位：

/*
**** 函数名 W25Q64SectorErase
**** 功能 W25Q64 扇区擦除(4kb)
**** 参数 address：24位的地址
**** 
*/
void W25Qxx_SectorErase(uint32_t address)
{
	uint8_t cmd[4];
	cmd[0] = SectorErase;
	cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF;
	cmd[2] = (address >> 8)  & 0xFF;
	cmd[3] = address & 0xFF;
	
	W25Qxx_CheckBusy();
	W25Qxx_WriteEnable();
	W25Qxx_CheckBusy();
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,cmd,4,1000);
	UnselectChip();
}

        擦除之前记得写使能和检查芯片状态。

        2.全片擦除

        全片擦除不需要输入地址，但是全片擦除等待的时间很长。

/*
**** 函数名 W25Q64ChipErase
**** 功能 W25Q64 全片擦除
**** 参数 无
**** 
*/
void W25Qxx_ChipErase()
{
	uint8_t cmd[1];
	cmd[0] = ChipErase;
	
	W25Qxx_CheckBusy();
	W25Qxx_WriteEnable();

	W25Qxx_CheckBusy();
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,cmd,1,1000);
	UnselectChip();
	W25Qxx_CheckBusy();
}

        这里可以测试一下全片擦除的时间：

int main()
{
	
	HAL_Init();
	SystemClock_Config();
	OLED_Init();
	LED_Init();
	W25Qxx_Init();
	UsartInit(115200);
	
	printf("现在进行硬件SPI实验！\n\n");
	
	uint32_t id = W25Qxx_GetID();
	printf("芯片ID为：%X\n\n",id);
	uint32_t head = 0,tail = 0;
	if(id == 0xEF4017)
	{
		head = HAL_GetTick();
		W25Qxx_ChipErase();
		tail = HAL_GetTick();
		printf("全片擦除所用的时间为%d ms\n\n",tail - head);	
	}
	
	while(1)
	{
	}
}

        时间还是比较长的。另外值得注意的是，根据我的实验结果，擦除时候并不是按照你给的地址开始擦除，而是擦除你地址所在的扇区或者块。

        六、页编程

        页编程的命令是0x02

在此之前付下如图：

        这个图介绍了编程的最小范围是一页，编程超过一页的需要手动变换地址，因为一页写满之后，地址并不会自动跳到下一页继续写，而是回到该页首地址继续写，这样会造成前后数据的覆盖。另外一页是256字节。

/*
**** 函数名 W25Q64PageProgram
**** 功能 W25Q64 页编程(一页256字节)
**** 参数 address：24位的地址
**** 参数 data：   写入的数据
**** 参数 Size：数据的大小，单位：字节
*/
void W25Qxx_PageProgram(uint32_t address,uint8_t* data,uint16_t Size)
{
	uint8_t cmd[4];
	cmd[0] = PageProgram;
	cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF;
	cmd[2] = (address >> 8) & 0xFF;
	cmd[3] = address & 0xFF;
	
	W25Qxx_CheckBusy();
	W25Qxx_WriteEnable();
	W25Qxx_CheckBusy();
	
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,cmd,4,1000);
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,data,Size,10000);
	UnselectChip();
}

        这个页编程介绍的东西不多，最重要的是下边的随意地址编程，最重要的就是解决写满一页以后需要手动解决地址偏移的问题。

        七、写任意大小数据

        由于页BUFF的限制，一次性只能写入256个字节，因此这个操作就是持续重复写入256及以下字节。

/*
**** 函数名 W25Q64WriteData
**** 功能 W25Q64 写入数据
**** 参数 address：24位的地址
**** 参数 databuffer：写入的数据
**** 参数 Size：读取数据的大小，单位：字节3
*/
void W25Qxx_WriteData(uint32_t address, uint8_t* data, uint32_t Size)
{
    if (address > 0x7FFFFF || data == NULL) // 检查输入参数合法性
    {
        return;
    }

    uint8_t offset = address % 256;         // 当前地址的页内偏移
    uint16_t remainingInPage = 256 - offset; // 当前页剩余空间大小

    // 判断数据是否跨页
    if (Size <= remainingInPage) // 数据小于或等于当前页剩余空间
    {
        W25Qxx_PageProgram(address, data, Size); // 写入当前页
        return;
    }

    // 数据跨页
    // 先填满当前页
    W25Qxx_PageProgram(address, data, remainingInPage);

    // 更新地址和数据指针
    address += remainingInPage;
    data += remainingInPage;
    Size -= remainingInPage;

    // 写入完整页的数据
    while (Size >= 256)
    {
        W25Qxx_PageProgram(address, data, 256);
        address += 256;
        data += 256;
        Size -= 256;
    }

    // 写入最后不足一页的数据
    if (Size > 0)
    {
        W25Qxx_PageProgram(address, data, Size);
    }
}

        在代码中，offset是计算的相对于该写入地址所在的页的首地址的偏移量，remainingInPage 用于计算该页剩余可写入空间大小。举个例子，一个地址是0x100即256，该地址所在的页是[256，511] 一共256个字节，因为前一个页是[0,255]。那么我要在256地址处写数据，那么它的offset = 256%256 = 0，剩余可写入空间为remainingInPage  = 256 - 0 = 256。所以我们可以按照这样的算法，来先把当前页填充满，当前页填充满之后就可以成整数倍的填充256个字节，当剩余的数据小于256字节的时候，在单独填充，这样做的好处就是可以在任意地址写入任意大小的数据，且不用担心数据覆盖。

        八、读任意大小数据

        读数据的命令是0x03。

/*
**** 函数名 W25Q64ReadData
**** 功能 W25Q64 读取数据
**** 参数 address：24位的地址
**** 参数 databuffer：数据接收缓冲区
**** 参数 Size：读取数据的大小，单位：字节
*/
void W25Qxx_ReadData(uint32_t address,uint8_t* databuffer,uint32_t Size)
{
	uint8_t cmd[4];
	cmd[0] = ReadData;
	cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF;
	cmd[2] = (address >> 8)  & 0xFF;
	cmd[3] = address & 0xFF;
	
	W25Qxx_CheckBusy();
	
	SelectChip();
	HAL_SPI_Transmit(&g_W25Qxx_Handle,cmd,4,1000);
	HAL_SPI_Receive(&g_W25Qxx_Handle,databuffer,Size,100000);
	UnselectChip();

}

        这个可讲解的地方不多，单纯发送读命令后再接收数据。

        九、测试

        最后测试一下代码效果：

void W25QxxTest()
{
	uint16_t head,tail;

	for(uint16_t i = 0;i < 8192;i++)
	{
		data[i] = '1';
	}
	data[8191] = '\0';
	printf("现在进行硬件SPI实验！\n\n");
	
	uint32_t id = W25Qxx_GetID();
	printf("芯片ID为：%X\n\n",id);
	
	if(id == W25Q64_ID)
	{
		printf("正在擦除...\n");
		W25Qxx_BlockErase(0x000000);
		printf("擦除成功！\n\n");
		
		printf("正在写入...写入数据量为8kb\n");
		head = HAL_GetTick();
		W25Qxx_WriteData(0x00000A,data,8192);
		tail = HAL_GetTick();
		
		printf("写入成功！，写入花费的时间为：%d ms\n\n",tail - head);
	
		printf("正在读取数据，读取数据量为8kb\n");
		head = HAL_GetTick();
		W25Qxx_ReadData(0x00000A,test,8192);
		tail = HAL_GetTick();
		
		
		if(memcmp(test,data,8192) == 0)
		{
			printf("读取成功，读取花费的时间为：%d ms\n\n",tail - head);
		}
		else
		{
			printf("读取失败\n");

		}
			printf("读取到的数据是: %s\n",test);

		
	}



}

END............


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