【STM32】SPI通信协议W25Q64Flash存储器芯片（学习笔记）

通信接口部分有介绍SPI：【STM32】USART串口协议&串口外设-学习笔记-CSDN博客

SPI通信协议

SPI通信

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
同步，全双工
支持总线挂载多设备（一主多从）

I2C通信和SPI通信区别：

I2C 通信优点：使用两根线（SCL 时钟线和 SDA 数据线），半双工通信，布线简单，占用引脚少，支持多主机多从机模式，具备总线仲裁机制，适用于近距离低速设备间通信。缺点：数据传输速率相对较低，一般标准模式下为 100kbps，快速模式下为 400kbps，高速模式下为 3.4Mbps ，每次通信需要发送起始、停止信号和应答信号，开销较大，通信效率不高。

SPI 通信优点：数据传输速率高，可达几十 Mbps ，适合高速数据传输场景，全双工通信，主机和从机可同时发送和接收数据，操作简单，只需 4 根线（SCK 时钟线、MOSI 主机输出从机输入线、MISO 主机输入从机输出线、SS 从机选择线）。缺点：布线复杂，占用引脚较多，只支持单主机多从机模式，没有总线仲裁机制，若多个主机同时试图控制总线，可能导致数据冲突，不适用于多主机环境。

硬件电路

所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

推挽输出：高低电平均有很强的驱动能力，这将使得SPI的下降沿和上升沿都非常的迅速。得益于推挽输出的强驱动能力，SPI信号变化快，自然就能达到更高的传输速度。

SPI 冲突点：就是MISO引脚，主机一个输入，三个从机全是输出，如果三个从机都是推挽输出，肯定会产生冲突，所以SPI协议有规定，当SS从机引脚为高电平，就是未被选中时，它的MISO引脚必须切换为高阻态，高阻态就是引脚断开，不输出任何电平。这样就可以防止一条线有多个输出而导致的冲突问题。当SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出。

移位示意图

SPI基本收发电路：

只想发送不想接收？

仍然调用交换字节的时序，发送同时接收，只是接收到的数据不看他就可以了。

只想接收不想发送？

同理，仍然调用交换字节的时序，发送同时接收，只是我们会随便发送有一个数据，来把从机的数据置换过来就可以。一般统一发0x00或者0xFF。

SPI的通信的基础就是，交换一个字节，有了交换一个一个字节，就可以实现发送一个字节，接收一个字节，发送并同时接收一个字节的三种功能。

SPI时序基本单元

起始条件：SS从高电平切换到低电平
终止条件：SS从低电平切换到高电平

模式0用的最多，模式0和模式3都是上升沿采样输入；模式1和模式2都是下降沿采样输入；

SPI时序

以本节使用的芯片W25Q64时序进行讲解，SPI不像I2C规定那样，有效数据流的第一个字节是寄存器地址之后依次是读写的数据，使用的是读写寄存器的模型，在SPI中通常使用的是指令码加读写数据的模型，第一个交换发送给从机的数据叫指令码。在SPI从机芯片手册里，都会定义好指令集，什么指令对应什么功能，什么指令后面得跟上什么数据。

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）在W25Q64芯片里0x06表示写使能

模式0

整个时序的功能就是，发送指令，指令码0x06，从机一比对定义好的指令集，发现是写使能指令，那从机就控制硬件进行写使能。

指定地址写

向SS指定的设备，发送写指令（0x02）
随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

指定地址读

向SS指定的设备，发送读指令（0x03）

随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

W25Q64Flash存储器芯片

W25Q64简介

W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景
存储介质：Nor Flash（闪存）Nor Flash 是一种非易失性闪存存储介质，在嵌入式系统等领域应用广泛。
时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)
存储容量（24位地址）：分三个字节

基本参数

存储容量：W25Q64 的存储容量为 64Mb（兆比特），也就是 8MB（兆字节）。它被划分为 128 个块（Block），每个块大小为 64KB；每个块又由 16 个扇区（Sector）组成，每个扇区大小为 4KB。
工作电压：其工作电压范围为 2.7V - 3.6V，这使得它能适配多种电源系统。不能直接接5V电压。
通信接口：采用 SPI（Serial Peripheral Interface）通信接口，具有引脚少、通信速率高的特点，只需 SCK（时钟线）、MOSI（主出从入数据线）、MISO（主入从出数据线）和 CS（片选线）这几根线就能和主控芯片进行通信。

性能特点

读写速度快：最高时钟频率可达 80MHz，能实现快速的数据读写操作，提升系统的数据处理效率。
低功耗：在待机和掉电模式下功耗极低，适合对功耗有严格要求的应用场景，如电池供电的设备。
擦写次数多：扇区擦除次数可达 10 万次，数据保存时间长达 20 年，保证了数据的长期可靠性和稳定性。

应用场景

消费电子：像智能手机、平板电脑、数码相机等设备，用于存储系统固件、用户数据、图像和视频等信息。
工业控制：在工业自动化设备、仪器仪表中，可存储程序代码、校准数据和运行记录等。
汽车电子：应用于汽车的娱乐系统、仪表盘、导航系统等，存储地图数据、音频文件和系统配置信息。

操作方式

对 W25Q64 进行操作，一般要先通过 SPI 接口发送对应的命令。例如，发送写使能命令后，才能进行写操作；擦除操作也需要先发送相应的擦除命令。而且，在进行写操作前，通常要先对相应的扇区进行擦除。

拓展：Nor Flash 和 NAND Flash的区别

Nor Flash 和 NAND Flash 是两种常见的闪存技术，它们在多个方面存在明显区别：

存储结构

Nor Flash：其存储单元结构类似随机存储器（RAM），各个存储单元是独立的，能够直接对单个存储单元进行随机访问，这使得它具备字节级别的随机读写能力。
NAND Flash：存储单元以页（Page）和块（Block）的形式组织。数据的读写通常以页为基本单位，页的大小一般在几百字节到几 KB 不等；而擦除操作则以块为单位，块由多个页组成。

读写性能

读取速度：Nor Flash 的读取速度较快，特别是随机读取性能出色，它可以像内存一样直接执行代码（XIP），适合频繁随机读取少量数据的场景，如存储程序代码。NAND Flash 顺序读取速度也较快，但随机读取性能相对较差，不太适合随机读取小数据量的操作。
写入和擦除速度：Nor Flash 的写入和擦除速度较慢，尤其是擦除操作，需要较长时间，而且擦除次数有限。NAND Flash 的写入和擦除速度相对较快，不过在写入数据前也需要先进行块擦除操作。

可靠性

位反转：NAND Flash 更容易出现位反转现象，即存储的数据在没有进行写入操作的情况下，某些位的值发生了改变。这是由于 NAND Flash 的存储密度高，相邻存储单元之间的干扰较大。因此，NAND Flash 通常需要使用纠错码（ECC）来检测和纠正数据错误。Nor Flash 出现位反转的概率相对较低。
擦写次数：Nor Flash 的擦写次数一般在 10 万次左右，而 NAND Flash 根据不同的类型，擦写次数有所差异，普通的 SLC（单电平单元）NAND Flash 擦写次数可达 10 万 - 100 万次，MLC（多电平单元）和 TLC（三层单元）的擦写次数相对较少。

成本

单位容量成本：NAND Flash 的制造成本较低，单位容量的价格相对 Nor Flash 更便宜，因此在大容量存储应用中具有明显的成本优势。Nor Flash 由于制造工艺和结构的原因，成本较高，特别是大容量的 Nor Flash 价格更为昂贵。
系统成本：使用 Nor Flash 时，由于其可以直接执行代码，不需要额外的内存来加载代码，在一定程度上可以降低系统的整体成本。而使用 NAND Flash 时，通常需要额外的控制器和纠错电路来保证数据的可靠性，这会增加系统的成本和复杂度。

应用场景

Nor Flash：主要用于存储代码和少量的关键数据，如嵌入式系统的启动代码、BIOS、汽车电子中的发动机控制单元程序等，适用于对随机读取性能和数据可靠性要求较高的场景。
NAND Flash：广泛应用于大容量数据存储领域，如固态硬盘（SSD）、USB 闪存驱动器、存储卡、智能手机和平板电脑的内置存储等，适合顺序读写大量数据的场景。

常见的非易失性存储器和易失性存储器：

非易失性存储器

闪存（Flash Memory）：基于闪存芯片的存储介质，如常见的 U 盘、固态硬盘（SSD）等。具有掉电后数据不丢失、可多次擦写、体积小、重量轻、抗震性强等优点，广泛应用于移动设备、计算机存储等领域。
只读存储器（ROM）：通常用于存储计算机系统的启动程序、BIOS 等重要信息。在制造过程中就将数据固化在芯片中，只能读取，不能写入或修改，具有很高的稳定性和可靠性。
电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）：可以通过电信号进行擦除和编程的只读存储器。与闪存类似，但擦写操作更加灵活，通常用于存储一些需要频繁修改但掉电后又需要保存的数据，如设备的配置信息等。不过，EEPROM 的擦写次数有限，且写入速度相对较慢。
铁电存储器（FRAM）：利用铁电材料的极化特性来存储数据。具有高速读写、低功耗、抗辐射等优点，且擦写次数几乎无限，但成本较高，容量相对较小，目前在一些特定领域，如航空航天、工业控制等有一定应用。

易失性存储器

随机存取存储器（RAM）：计算机中最常用的易失性存储器，用于暂时存储正在运行的程序和数据。根据技术和性能的不同，可分为静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。
SRAM：速度快，但成本高、集成度低，常用于高速缓存（Cache）等对速度要求极高的场景。
DRAM：成本低、集成度高，但速度相对较慢，是计算机内存的主要组成部分，用于存储正在运行的程序和数据。计算机在运行过程中，需要不断地对 DRAM 中的数据进行刷新操作，以防止数据丢失。
高速缓冲存储器（Cache）：位于 CPU 和主存之间的一种高速小容量存储器，用于存储 CPU 近期可能会频繁访问的数据和指令。Cache 通常采用 SRAM 实现，速度比主存快得多，能有效提高 CPU 访问数据的速度，减少 CPU 等待数据从主存传输的时间，从而提高整个计算机系统的性能。

硬件电路

W25Q64框图

两个地址锁存和计数器解释

框图重点部分：四点

Flash操作注意事项

写入操作时：

写入操作前，必须先进行写使能
每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1（这个意思就是Flash并没有像RAM那样的直接完全覆盖的改写能力，而是受到这个规则限制）比如：在某个存储单元存储了0xAA，写入新的0x55,那数据并不会覆盖为0x55，而是受到限制变为0x00,为了弥补这个缺陷，就用到了擦除的规定
写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1，擦除有专门的擦除电路，我们只需要发送对应的指令，擦除后，所有的数据为都变为1，也就是16进制的0xFF,这样就可以弥补第二条的限制。
擦除必须按最小擦除单元进行，有最小擦除单元限制，不能指定某一个字节擦除，要一大片的擦除，可以按片擦除，按快擦除或者按扇形擦除，最小的单元就是一个扇区擦除。
连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入（意思就是写入的时候，一次性不能写太多，一个写入时序最多写入一页的数据，也就是256字节）
写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作，使用读状态寄存器指令，看BUSY位是否为0，BUSY为0就是不忙状态