【STM32 HAL库SPI/QSPI协议学习，基于外部Flash读取。】

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。

SPI 物理层

在这里插入图片描述 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 SS。
1、SS*(* Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS。
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。

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。

时序图

在这里插入图片描述 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。

通讯的起始和停止信号

在图中的标号处**，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，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选了，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。

数据有效性

1、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。
2、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，一般都会采用图中的 MSB 先行模式。
3、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。
4、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。

CPOL/CPHA 及通讯模式

在这里插入图片描述

STM32 SPI系统架构

在这里插入图片描述 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 (STM32F103 型
号的芯片默认 f:sub:pclk1 为 42MHz（407）45Mhz(429)，fpclk2 为 84MHz(407) 90Mhz(429))，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。

2、SPI使用

HAL库SPI结构体成员

/*** @brief  SPI handle Structure definition*/
typedef struct __SPI_HandleTypeDef
{SPI_TypeDef                *Instance;      /*!< SPI registers base address               */SPI_InitTypeDef            Init;           /*!< SPI communication parameters             */uint8_t                    *pTxBuffPtr;    /*!< Pointer to SPI Tx transfer Buffer        */uint16_t                   TxXferSize;     /*!< SPI Tx Transfer size                     */__IO uint16_t              TxXferCount;    /*!< SPI Tx Transfer Counter                  */uint8_t                    *pRxBuffPtr;    /*!< Pointer to SPI Rx transfer Buffer        */uint16_t                   RxXferSize;     /*!< SPI Rx Transfer size                     */__IO uint16_t              RxXferCount;    /*!< SPI Rx Transfer Counter                  */void (*RxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);   /*!< function pointer on Rx ISR       */void (*TxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);   /*!< function pointer on Tx ISR       */DMA_HandleTypeDef          *hdmatx;        /*!< SPI Tx DMA Handle parameters             */DMA_HandleTypeDef          *hdmarx;        /*!< SPI Rx DMA Handle parameters             */HAL_LockTypeDef            Lock;           /*!< Locking object                           */__IO HAL_SPI_StateTypeDef  State;          /*!< SPI communication state                  */__IO uint32_t              ErrorCode;      /*!< SPI Error code                           */#if (USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS == 1U)void (* TxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);             /*!< SPI Tx Completed callback          */void (* RxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);             /*!< SPI Rx Completed callback          */void (* TxRxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);           /*!< SPI TxRx Completed callback        */void (* TxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);         /*!< SPI Tx Half Completed callback     */void (* RxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);         /*!< SPI Rx Half Completed callback     */void (* TxRxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);       /*!< SPI TxRx Half Completed callback   */void (* ErrorCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);              /*!< SPI Error callback                 */void (* AbortCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);          /*!< SPI Abort callback                 */void (* MspInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);            /*!< SPI Msp Init callback              */void (* MspDeInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi);          /*!< SPI Msp DeInit callback            */#endif  /* USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS */
} SPI_HandleTypeDef;

HAL库函数

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi); //初始化函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DeInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //默认初始化函数
__weak void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //初始化回调函数
__weak void HAL_SPI_MspDeInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //默认初始化回调函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //发送函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //接收函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout); //接收，发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); //中断发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) //中断接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout); //中断接收发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); //DMA发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) //DMA接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData,uint16_t Size); //DMA发送接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Abort(SPI_HandleTypeDef *hspi); //我不知道干啥的，知道的给我说，字面意思说是中止SPI。
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Abort_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi); // 我不知道干啥的
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAPause(SPI_HandleTypeDef *hspi); //暂停DMA
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAStop(SPI_HandleTypeDef *hspi); //停止DMA
void HAL_SPI_IRQHandler(SPI_HandleTypeDef *hspi); //中断服务函数
HAL_SPI_StateTypeDef HAL_SPI_GetState(SPI_HandleTypeDef *hspi); //获取SPI状态函数
uint32_t HAL_SPI_GetError(SPI_HandleTypeDef *hspi); //获取SPI错误代码函数
__weak void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //接收完成回调
__weak void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //发送完成回调
__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //错误回调

3、QSPI协议

QSPI是Queued SPI的简写，是Motorola公司推出的SPI接口的扩展，比SPI应用更加广泛。在SPI协议的基础上，Motorola公司对其功能进行了增强，增加了队列传输机制，推出了队列串行外围接口协议（即QSPI协议）。QSPI 是一种专用的通信接口，连接单、双或四（条数据线） SPI Flash 存储介质。
STM32上加 QUADSPI。
1、间接模式：在这个模式下，所有的操作都是通过QSPI寄存器来执行的。这意味着数据的传输和接收都需要通过寄存器来进行中转。
2、状态轮询模式：在这种模式下，外部Flash的状态寄存器会被周期性地读取，当某些标志位（如擦除或烧写完成的标志位）置为1时，会产生中断，从而通知控制器进行相应的处理。
3、内存映射模式：在内存映射模式下，外部Flash被映射到微控制器的地址空间，系统将其视为内部存储器的一部分。这种方式可以让处理器直接访问Flash存储空间，就像访问内部RAM一样。
QSPI通常使用6个信号线连接Flash，包括四个数据线（BK1_IO0~BK1_IO3）、一个时钟输出（CLK）和一个片选输出（低电平有效，BK1_nCS）。这些信号线的作用是实现与SPI Flash存储介质的通信。
采用双闪存模式时，将同时访问两个 Quad-SPI Flash，吞吐量和容量均可提高二倍。

QSPI功能框图

在这里插入图片描述
1、BK1_nCS：片选输出（低电平有效），适用于 FLASH 1。如果 QSPI 始终在双闪存模式下工
作，则其也可用于 FLASH 2 从设备选择信号线。QSPI 通讯以 BK1_nCS 线置低电平为开始信号，以 BK1_nCS 线被拉高作为结束信号。
2、CLK：时钟输出，适用于两个存储器，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 QSPI 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、BK1_IO0：在双线 / 四线模式中为双向 IO，单线模式中为串行输出，适用于 FLASH 1。
4、BK1_IO1：在双线 / 四线模式中为双向 IO，单线模式中为串行输入
5、BK1_IO2：在四线模式中为双向 IO
6、BK1_IO3：在四线模式中为双向 IO

QSPI命令序列

QUADSPI 通过命令与 Flash 通信每条命令包括指令、地址、交替字节、空指令和数据这五个阶段任一阶段均可跳过，但至少要包含指令、地址、交替字节或数据阶段之一。nCS 在每条指令开始前下降，在每条指令完成后再次上升。

QSPI命令序列时序

在这里插入图片描述四线模式读命令时序

QUADSPI 信号接口协议模式

1、单线SPI模式
2、双线SPI模式
3、四线SPI模式
以上模式在这有介绍，慢慢看。
4、SDR模式
5、DDR模式
6、双闪存模式

QSPI使用

QSPI HAL库结构体

/*** @brief  QSPI Handle Structure definition*/
#if (USE_HAL_QSPI_REGISTER_CALLBACKS == 1)
typedef struct __QSPI_HandleTypeDef
#else
typedef struct
#endif
{QUADSPI_TypeDef            *Instance;        /* QSPI registers base address        */QSPI_InitTypeDef           Init;             /* QSPI communication parameters      */uint8_t                    *pTxBuffPtr;      /* Pointer to QSPI Tx transfer Buffer */__IO uint32_t              TxXferSize;       /* QSPI Tx Transfer size              */__IO uint32_t              TxXferCount;      /* QSPI Tx Transfer Counter           */uint8_t                    *pRxBuffPtr;      /* Pointer to QSPI Rx transfer Buffer */__IO uint32_t              RxXferSize;       /* QSPI Rx Transfer size              */__IO uint32_t              RxXferCount;      /* QSPI Rx Transfer Counter           */MDMA_HandleTypeDef          *hmdma;            /* QSPI Rx/Tx MDMA Handle parameters   */__IO HAL_LockTypeDef       Lock;             /* Locking object                     */__IO HAL_QSPI_StateTypeDef State;            /* QSPI communication state           */__IO uint32_t              ErrorCode;        /* QSPI Error code                    */uint32_t                   Timeout;          /* Timeout for the QSPI memory access */
#if (USE_HAL_QSPI_REGISTER_CALLBACKS == 1)void (* ErrorCallback)        (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* AbortCpltCallback)    (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* FifoThresholdCallback)(struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* CmdCpltCallback)      (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* RxCpltCallback)       (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* TxCpltCallback)       (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* StatusMatchCallback)  (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* TimeOutCallback)      (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* MspInitCallback)      (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* MspDeInitCallback)    (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);
#endif
}QSPI_HandleTypeDef;

其它功能结构体

/*** @brief  QSPI Command structure definition*/
typedef struct
{uint32_t Instruction;        /* Specifies the Instruction to be sentThis parameter can be a value (8-bit) between 0x00 and 0xFF */uint32_t Address;            /* Specifies the Address to be sent (Size from 1 to 4 bytes according AddressSize)This parameter can be a value (32-bits) between 0x0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t AlternateBytes;     /* Specifies the Alternate Bytes to be sent (Size from 1 to 4 bytes according AlternateBytesSize)This parameter can be a value (32-bits) between 0x0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t AddressSize;        /* Specifies the Address SizeThis parameter can be a value of @ref QSPI_AddressSize */uint32_t AlternateBytesSize; /* Specifies the Alternate Bytes SizeThis parameter can be a value of @ref QSPI_AlternateBytesSize */uint32_t DummyCycles;        /* Specifies the Number of Dummy Cycles.This parameter can be a number between 0 and 31 */uint32_t InstructionMode;    /* Specifies the Instruction ModeThis parameter can be a value of @ref QSPI_InstructionMode */uint32_t AddressMode;        /* Specifies the Address ModeThis parameter can be a value of @ref QSPI_AddressMode */uint32_t AlternateByteMode;  /* Specifies the Alternate Bytes ModeThis parameter can be a value of @ref QSPI_AlternateBytesMode */uint32_t DataMode;           /* Specifies the Data Mode (used for dummy cycles and data phases)This parameter can be a value of @ref QSPI_DataMode */uint32_t NbData;             /* Specifies the number of data to transfer. (This is the number of bytes)This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF (0 means undefined lengthuntil end of memory)*/uint32_t DdrMode;            /* Specifies the double data rate mode for address, alternate byte and data phaseThis parameter can be a value of @ref QSPI_DdrMode */uint32_t DdrHoldHalfCycle;   /* Specifies if the DDR hold is enabled. When enabled it delays the dataoutput by one half of system clock in DDR mode.This parameter can be a value of @ref QSPI_DdrHoldHalfCycle */uint32_t SIOOMode;           /* Specifies the send instruction only once modeThis parameter can be a value of @ref QSPI_SIOOMode */
}QSPI_CommandTypeDef;/*** @brief  QSPI Auto Polling mode configuration structure definition*/
typedef struct
{uint32_t Match;              /* Specifies the value to be compared with the masked status register to get a match.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t Mask;               /* Specifies the mask to be applied to the status bytes received.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t Interval;           /* Specifies the number of clock cycles between two read during automatic polling phases.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFF */uint32_t StatusBytesSize;    /* Specifies the size of the status bytes received.This parameter can be any value between 1 and 4 */uint32_t MatchMode;          /* Specifies the method used for determining a match.This parameter can be a value of @ref QSPI_MatchMode */uint32_t AutomaticStop;      /* Specifies if automatic polling is stopped after a match.This parameter can be a value of @ref QSPI_AutomaticStop */
}QSPI_AutoPollingTypeDef;/*** @brief  QSPI Memory Mapped mode configuration structure definition*/
typedef struct
{uint32_t TimeOutPeriod;      /* Specifies the number of clock to wait when the FIFO is full before to release the chip select.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFF */uint32_t TimeOutActivation;  /* Specifies if the timeout counter is enabled to release the chip select.This parameter can be a value of @ref QSPI_TimeOutActivation */
}QSPI_MemoryMappedTypeDef;