【STM32】SPI通信外设硬件SPI读写W25Q64

【STM32】SPI通信协议&W25Q64Flash存储器芯片（学习笔记）-CSDN博客 

SPI通信外设

SPI外设简介

  • STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担
  • 可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行(标黑常用)
  • 时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)，就是SCK，一般体现的是传输速度，单位为Hz或者bit/s，最大进行2分频，72M/2=36MHz，I2C最大400kHz，SPI最大频率比I2C大90倍，SPI1时钟频率比SPI2大一倍
  • 支持多主机模型、主或从操作
  • 可精简为半双工/单工通信
  • 支持DMA，DMA自动帮我们搬运数据
  • 兼容I2S协议，数字音频信号传输的专用协议
  • STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1（APB2的外设）、SPI2（APB1的外设）

兼容I2S协议： 应用场景

 三条主要总线

STM32F103C8T6 有三条主要总线，分别是 AHB（高级高性能总线）、APB1（高级外设总线 1）和 APB2（高级外设总线 2），各总线频率如下：

  • AHB 总线：其最高频率为 72MHz，通常系统时钟（SYSCLK）会直接作为 AHB 总线的时钟。
  • APB1 总线：它的最高频率是 36MHz，APB1 总线挂载着一些低速外设，如 UART2 - UART5、SPI2、SPI3、I2C1、I2C2 等。
  • APB2 总线：最高频率为 72MHz，APB2 总线挂载着高速外设，像 GPIO 端口、USART1、SPI1 等。

 SPI框图

1. 引脚部分

  • MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入引脚。在 SPI 通信中，主设备通过此引脚向从设备发送数据。
  • MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出引脚。从设备通过此引脚向主设备发送数据。
  • SCK（Serial Clock）：串行时钟引脚，由主设备产生，用于同步主设备和从设备之间的数据传输。
  • NSS（Slave Select）：从设备选择引脚，主设备通过拉低此引脚电平来选中对应的从设备。

2. 数据传输相关模块

  • 发送缓冲区：用于暂存要发送的数据，数据由软件写入，然后发送到移位寄存器。
  • 接收缓冲区：用于暂存接收到的数据，数据从移位寄存器读出后存储在此，等待软件读取。
  • 移位寄存器：是 SPI 数据传输的核心部件。在发送数据时，它从发送缓冲区获取数据，按照时钟信号一位一位地通过 MOSI 引脚发送出去；在接收数据时，通过 MISO 引脚一位一位地接收数据，然后将完整的数据存入接收缓冲区。“LSBFIRST 控制位” 决定数据是低位（LSB） 在前还是高位（MSB） 在前进行传输。

3. 控制寄存器部分

  • SPI_CR1：控制寄存器 1，包含多个控制位：
    • LSBFIRST：控制数据传输时是低位在前还是高位在前。
    • SPE（SPI Enable）：使能 SPI 外设。
    • BR[2:0]：波特率控制位，用于设置 SPI 的时钟频率，即波特率。
    • MSTR（Master Select）：主从模式选择位，设置该 SPI 设备为主设备还是从设备。
    • CPOL（Clock Polarity）：时钟极性控制位，决定 SCK 时钟信号的空闲状态电平（高电平或低电平）。
    • CPHA（Clock Phase）：时钟相位控制位，用于选择 SPI 的两种不同时钟相位模式。
    • 还有其他如 CRC 相关控制位、双线双向模式控制位等，用于设置 SPI 的各种工作模式和特性。
  • SPI_CR2：控制寄存器 2，包含以下控制位：
    • TXEIE（Transmit Buffer Empty Interrupt Enable）：发送缓冲区空中断使能位。
    • RXNEIE（Receive Buffer Not Empty Interrupt Enable）：接收缓冲区非空中断使能位。
    • ERRIE（Error Interrupt Enable）：错误中断使能位。
    • SSOE（Slave Select Output Enable）：从设备选择输出使能位。
    • TXDMAEN（Transmit DMA Enable）：发送直接内存访问（DMA）使能位。
    • RXDMAEN（Receive DMA Enable）：接收 DMA 使能位。
  • SPI_SR：状态寄存器，包含多个状态标志位：
    • BSY（Busy）：忙标志位，当 SPI 正在进行数据传输时，该位被置 1。
    • OVR（Overrun）：溢出标志位，当接收缓冲区已满，又有新的数据到来时，该位被置 1。
    • MODF（Mode Fault）：模式错误标志位，当 SPI 在主模式下 NSS 引脚被意外拉低时，该位被置 1。
    • CRCERR（CRC Error）：CRC 校验错误标志位。
    • TXE（Transmit Buffer Empty）：发送缓冲区空标志位。
    • RXNE（Receive Buffer Not Empty）：接收缓冲区非空标志位。
  • 波特率发生器：根据 SPI_CR1 中 BR [2:0] 的设置，产生相应频率的时钟信号 SCK，以控制数据传输的速率。
  • 主控制电路：负责协调 SPI 各个模块的工作，根据控制寄存器的设置来管理数据的发送和接收过程。
  • 通信电路：在 SPI 通信过程中，处理数据的收发以及与其他模块的交互，确保通信的正常进行。

大致分为两部分，左上角就是数据寄存器和移位寄存器配合部分；和串口、I2C的设计思路具有异曲同工之妙，主要为了实现数据流传输，右下角部分就是控制逻辑了；下面来看看框图细节：

首先，左上角核心部分，就是移位寄存器，右边的数据从低位，一位一位的从MOSI移出，然后MSO，一位一位的移入左边的数据高位，显然移位寄存器是一个右移的状态，所以目前图上表示的是低位先行的配置，对应右下角有一个LSBFLRST控制位，这一位可以控制是低位先行还是高位先行，可以查一下数据手册

目前框图的LSBFIRST状态应该是1，低位先行，如果LSBFIRST给0的话，就是高位先行，这个框图还要变动一下，就移位寄存器变为左移，输出从左边一出去，输入，从右边移进来。然后就是两个缓冲区，这两个缓冲区实际上就是数据寄存器DR，下面发送缓冲区就是发送数据寄存器TDR,上面接收缓冲区就是接收数据寄存器RDR,和串口那里一样，TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR；

连续发送数据流过程：在主设备中，将要发送的数据写入发送缓冲区（TDR）。当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据就会转入至移位寄存器进行移位，当发送缓冲区中的数据发送完成后，SPI 状态寄存器（SPI_SR）中的 TXE（发送缓冲区空）标志位置 1。然后移位寄存器工作

移位寄存器工作：发送缓冲区的数据会在 SCK 时钟信号的驱动下，一位一位地移入移位寄存器，然后通过 MOSI 引脚发送到从设备。同时，从设备在 SCK 时钟的同步下，通过 MISO 引脚将数据发送回主设备（如果是双向通信）。

数据接收与存储：在主设备接收数据时，从设备发送的数据在 SCK 时钟信号的同步下，通过 MISO 引脚一位一位地移入主设备的移位寄存器，然后再存入接收缓冲区。当接收缓冲区中有数据时，SPI_SR 中的 RXNE（接收缓冲区非空）标志位置 1。

数据读取：软件可以通过查询 RXNE 标志位或者利用接收缓冲区非空中断，从接收缓冲区（SPI_DR）中读取接收到的数据。如果是连续接收数据，需要及时处理已接收的数据，以便接收新的数据，保证接收过程的连续性。

数据传输设计思路SPI和I2C和串口的区别：设计思路区别

 框图中的“波特率发生器”有什么作用？

1. 定义与基本功能

波特率发生器是一种用于生成特定频率时钟信号的电路模块。在 SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）通信中，它的主要功能是产生串行时钟信号 SCK（Serial Clock）。SCK 信号用于同步主设备和从设备之间的数据传输，确保数据能够按照预定的速率和时序准确地发送和接收。

2. 波特率的设置与控制

  • 控制位设置：波特率发生器的工作受 SPI 控制寄存器（如 SPI_CR1 中的 BR [2:0] 位）的控制。通过对这些控制位进行编程设置，可以改变波特率发生器的输出时钟频率。例如，在 STM32 的 SPI 模块中，BR [2:0] 位有不同的组合，对应不同的分频系数。
  • 具体示例：当 BR [2:0] 设置为不同的值时，波特率发生器会将系统时钟（通常是 AHB 总线时钟）按照相应的分频系数进行分频，从而得到不同频率的 SCK 时钟信号。如果系统时钟频率为 72MHz，当 BR [2:0] 设置为 “110” 时，对应的分频系数为 128，那么此时 SCK 的频率就是 72MHz / 128，约为 562.5kHz。

3. 对通信的影响

  • 数据传输速率：波特率发生器生成的 SCK 时钟频率决定了 SPI 通信的数据传输速率。较高的 SCK 频率意味着数据可以在更短的时间内传输完成，从而提高通信效率。但同时，过高的频率可能会受到传输线的电气特性、设备的处理能力等因素的限制，导致数据传输错误。
  • 设备兼容性：不同的 SPI 设备可能对 SCK 时钟频率有不同的要求。波特率发生器可以根据与之通信的从设备的特性，灵活地调整 SCK 时钟频率，以确保主设备和从设备之间能够正常通信。例如，一些低速的 SPI 从设备可能无法处理过高频率的时钟信号，此时就需要通过波特率发生器降低 SCK 的频率。

4. 与其他模块的协同工作

波特率发生器产生的 SCK 时钟信号与 SPI 的其他模块协同工作。在数据发送过程中，发送缓冲区的数据会在 SCK 时钟信号的驱动下，一位一位地通过 MOSI 引脚发送出去；在数据接收过程中，MISO 引脚上的数据会在 SCK 时钟信号的同步下，一位一位地被移入移位寄存器。同时，波特率发生器的工作也受到主控制电路的管理和协调，以确保整个 SPI 通信过程的稳定和准确。

 NSS任何实现多主机切换功能？NSS多主机切换

 SPI基本结构 

主模式全双工连续传输  

1. 时钟与数据传输

  • SCK（时钟信号）：由主设备产生，为数据传输提供同步时钟，确保主从设备数据收发时序一致。
  • 数据发送（MOSI 输出）：主设备通过 MOSI 依次发送数据0xF1、0xF2、0xF3，每个数据按位（b0~b7）在 SCK 驱动下传输。
  • 数据接收（MISO 输入）：主设备通过 MISO 接收从设备返回的数据0xA1、0xA2、0xA3，同样按位同步接收。

2. 关键标志位变化

  • TXE（发送缓冲区空标志）：
    • 硬件自动置位：当发送缓冲区数据发送到移位寄存器后，TXE 被硬件置 1，表示发送缓冲区空闲。
    • 软件清除：需通过软件向SPI_DR写入新数据来清除该标志（如写入0xF1后，TXE 置 1，再写入0xF2即清除）。
  • RXNE（接收缓冲区非空标志）：
    • 硬件自动置位：当接收缓冲区收到完整数据（如0xA1）后，RXNE 被硬件置 1。
    • 软件清除：通过软件读取SPI_DR数据来清除该标志（如读取0xA1后，RXNE 标志清除）。
  • BSY（忙标志）：
    • 硬件自动置位：SPI 开始数据传输时，BSY 置 1，表示外设处于忙状态。
    • 硬件自动清除：所有数据传输完成后，BSY 由硬件自动清零。

3. 软件操作流程

  • 发送数据：软件先写入第一个数据（如0xF1到SPI_DR），等待 TXE=1（发送缓冲区空），再写入下一个数据（如0xF2），循环直至数据发送完毕。
  • 接收数据：软件等待 RXNE=1（接收缓冲区有数据），然后从SPI_DR读取数据（如读取0xA1），完成一次接收操作，循环处理后续数据。

4. 整体时序逻辑

  • 发送缓冲区、接收缓冲区与标志位TXE、RXNE配合，确保数据连续发送和接收。BSY标志则全程反映 SPI 外设的工作状态，直到所有数据传输结束才恢复空闲状态。通过这种机制，SPI 实现了主模式全双工连续数据传输的高效控制。

非连续传输  

这张图展示了 STM32 SPI 外设工作在 非连续传输发送模式（BIDIMODE=0 且 RXONLY=0）时，TXE（发送缓冲区空标志）和 BSY（忙标志）的变化过程，具体解析如下：

1. 基础配置与信号

  • 时钟配置：图中示例配置 CPOL=1（时钟空闲状态为高电平）、CPHA=1（数据在时钟第二个边沿采样），定义了 SPI 通信的时钟极性和相位。
  • SCK（时钟信号）：由主设备生成，为数据传输提供时序同步，驱动 MOSI 引脚按位发送数据。
  • MOSI（输出）：主设备通过 MOSI 依次发送数据 0xF1、0xF2、0xF3，每个数据按 b0~b7 位在 SCK 时钟下逐位传输。

2. 关键标志位变化

  • TXE（发送缓冲区空标志）：
    • 当发送缓冲区数据转移到移位寄存器后，硬件自动将 TXE 置 1，表示缓冲区空闲。
    • 软件需通过向 SPI_DR 写入新数据来清除该标志（如写入 0xF1 后，TXE 置 1，写入 0xF2 时清除）。
  • BSY（忙标志）：
    • 硬件控制：SPI 开始数据传输时，BSY 置 1，表示外设处于忙状态；所有传输结束后，BSY 自动清零。

3. 非连续传输的软件操作特点

  • 数据写入延迟：与连续传输不同，非连续传输中软件写入数据存在延迟。例如：
    • 先写入 0xF1 到 SPI_DR，启动第一次传输。
    • 等待 TXE=1 后，较晚写入 0xF2；再次等待 TXE=1 后，又较晚写入 0xF3。
  • 结束等待：最后需等待 BSY=0，确认所有非连续的传输操作完全结束，SPI 外设回归空闲状态。

4. 整体时序逻辑

图中体现了非连续传输的 “间隔性”：每次数据发送依赖软件主动写入新数据触发，且两次传输之间存在等待 TXE 标志的间隔。BSY 标志全程反映 SPI 工作状态，仅在数据传输过程中保持为 1，其余时间（如等待软件写入新数据阶段）可能短暂清零，直到所有传输完成最终清零。

非连续传输在SCK频率低时无影响；

在SCK频率高时有缺点：不同SCK频率不同间隙的示波器波形

 最后看手册很重要：坚持到最后都牛逼

 硬件SPI读写W25Q64

 本节代码在软件SPI读写W25Q64芯片基础上做修改，代码参考软件SPI读写W25Q64芯片：【江协科技STM32】软件SPI读写W25Q64芯片（学习笔记）-CSDN博客

接线图

因为这里是硬件读写SPI，涉及STM32内部硬件外设的引脚，都要查询引脚定义表

引脚定义表 

引脚复用： 

  硬件SPI

 硬件SPI代码实际上就两部分：

1、SPI外设初始化代码

Ⅰ卡其时钟，开启SPI和GPIO的时钟

Ⅱ 初始化GPIO口，其中，SCK和MOSI是由硬件外设控制的输出信号，所以配置为复用推挽输出；

MISO是由硬件外设控制的输入信号，所以配置为上拉或者浮空输入。

Ⅲ 配置SPI外设，初始化SPI

Ⅳ 使能SPI

void HerSPI_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	//开启SPI1的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA4引脚初始化为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA6引脚初始化为上拉输入/*SPI初始化*/SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;						//定义结构体变量SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;			//模式，选择为SPI主模式SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;	//方向，选择2线全双工SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//数据宽度，选择为8位SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;		//先行位，选择高位先行SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;	//波特率分频，选择128分频SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;				//SPI极性，选择低极性SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;			//SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;				//NSS，选择由软件控制SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;				//CRC多项式，暂时用不到，给默认值7SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);						//将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1/*SPI使能*/SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);									//使能SPI1，开始运行/*设置默认电平*/HerSPI_W_SS(1);											//SS默认高电平
}

2、SPI外设操作时序，完成交换应该字节的流程 

①等待TXE为1，等待发送寄存器位空，发送寄存器不为空就不着急写

②写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序

③//等待RXNE 接收数据寄存器非空

④ 读取接收到的数据并返回

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);	//等待发送数据寄存器空SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);								//写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);	//等待RXNE 接收数据寄存器非空return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);								//读取接收到的数据并返回
}

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