【STM32】SPI

SPI又是另一个超级常见的外设通信方式。

大部分图片来源：正点原子HAL库课程

 专栏目录：记录自己的嵌入式学习之路-CSDN博客

目录

1    基本概念

1.1    与IIC的区别

1.2    引脚

1.3    移位原理

1.4    四种工作模式

2    NOR Flash

2.1    25Q128系列 NOR Flash

2.2    25Q128存储结构

2.3    常用指令及其时序

2.4    重要的状态寄存器

2.5    读操作步骤

2.6    擦除扇区

2.7    写操作（极简版）

3    配置

3.1    相关HAL库函数

3.2    关键结构体

3.3    NOR Flash基本驱动步骤

4    QSPI

4.1    基本概念

4.2    SPI的分类

1    基本概念

SPI：串行外设设备接口（Serial Peripheral Interface），是一种高速的，全双工，同步的通信总线。主要应用在存储芯片、AD转换器以及LCD中。

1.1    与IIC的区别

• SPI是边沿协议（以边沿的产生为信号），IIC是电平协议（以电平的高低为信号）；
• SPI可以选择MSB（高位）先发和LSB（低位）先发两种模式，一般是根据从机的需要进行选择；
• SPI也可以只使用一根数据线，实现半双工通信。

1.2    引脚

MOSI（Master Out / Slave In）：输出数据线

MISO（Master In / Slave Out）：输入数据线

SCK（Serial Clock）：时钟

NSS（）：片选线，上方的横线代表低电平有效。实现上一般使用软件管理NSS，而将硬件的NSS引脚省下来用作他用。

软件管理CS的意思是：将主机配置为软件管理NSS，而从机的CS在物理上就可以连接MCU的任意一个IO了，只要和该从机通信的时候拉低该IO的电平即可。

1.3    移位原理

如上图，当时钟线产生一个上升沿触发时，主机和从机的最高位都会被传输到发送引脚上；当时钟线产生一个下降沿触发时，接收引脚上的数据将被写进移位寄存器中。通过8个时钟脉冲，一个字节的数据就被发送/接收完成了。也就是说，收发是同时进行的。所以：

• 若主机只向从机进行写操作，可以忽略接收到的从机数据；
• 若主机要对从机进行读操作，需要发送一个空数据来引发从机发送数据。

1.4    四种工作模式

• 主机SPI的工作模式的选择要结合从机支持的模式来，因为从机不一定支持这么多模式；

2    NOR Flash

2.1    25Q128系列 NOR Flash

• HOLD用于一主多从的通信；

2.2    25Q128存储结构

一片25Q128有256个块（Block），一个块有16个扇区（Sector），一个扇区有16页，一页有256个字节。最终算出来就是16M Byte/128M bit。

• 擦除的单位：扇区、块、片
• 写的单位：页写，与EEPROM的页写一样存在写完一页需要翻页的情况，否则再写会发生覆盖；
• 地址长度：根据原件数据手册可知，为0- FFFFFFH；

2.3    常用指令及其时序

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）：

• 写使能
  拉低片选→发送06H→拉高片选
  
• 读SR1
  拉低片选→发送05H→返回SR1的值→拉高片选
  • 其中，05H、35H、15H分别对应SR1、SR2、SR3三个状态寄存器；
  • 若拿到SR1数据后不拉高片选，从机会持续发送SR1的数值；
• 读数据
  拉低片选→发送03H→发送24位地址→读取数据1~n→拉高片选
  
  • 与读SR1类似，在发送完地址后，要是时钟线一直给脉冲，就会一直读数据；
• 页写
  拉低片选→发送02H→发送24位地址→发送数据1~n→拉高片选
  
  • 页写命令最多可以向FLASH传输256个字节的数据，因为一页就256字节；
  • 与上面的命令一样，只要保持片选和时钟脉冲就可以持续写入；
• 扇区擦除
  拉低片选→发送20H→发送24位地址→拉高片选
  
  • FLASH存储器的特性决定了它只能把原来为“1”的数据位改写成“0”，而原来为“0”的数据位不能直接改写为“1”；
  • 写入数据前，检查内存空间情况是否满足，不满足需擦除；

2.4    重要的状态寄存器

• 除了上图所述的BUSY位和WEL位外，对大容量FLASH进行操作时还需要对ADP位进行操作；

2.5    读操作步骤

• 分三次发送是因为帧格式那里设置了每帧8位；
• 发送空字节是因为读写是同时进行的，要读就要发送写数据；

2.6    擦除扇区

• 注意：发送要擦除的字节地址即可，Flash芯片会自动擦除该地址所在扇区；

2.7    写操作（极简版）

3    配置

3.1    相关HAL库函数

• 使能时钟也可以放在HAL_SPI_MspInit()函数中；

3.2    关键结构体

• Direction：选择双线全双工，SPI_DIRECTION_2LINES；
• NSS：选择软件，SPI_NSS_SOFT；
• TIMode：选择不开启，即默认的摩托罗拉模式，SPI_TIMode_DISABLE；
• CRCCalculation：关闭CRC校验；
• CRCPolynomial：找寄存器的默认值，7；

3.3    NOR Flash基本驱动步骤

• 关键的函数：HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
  • pTxData：发送数据的指针；
  • pRxData：接收数据的指针；
  • Size：发送数据的数目，要是帧格式是字节就是字节数，帧格式是半字就是半字数；
  • Timeout：超时时间，例程内设置为1000；
• 如果需要一次性发送16位数据（SPI的单帧数据格式可以设置为16位）
  • 方法1：在配置SPI时配置好16位帧格式，在发送数据时，则将数据指针强转为8位指针发送：
    
  • 方法2：配置SPI时依然配置为8位，但发送两个字节：
    
• 一般SPI初始化完毕后最好发送一个0xFF，以达到清空数据寄存器的作用；
• 注意️：GPIO应设置为初始上拉，以保证对一些有上下拉电阻功能的MCU，不会因为初始拉低而发生片选；
• 注意️：设置传输速度前必须__HAL_SPI_DISABLE，失能SPI才行；
   

• 读取数据时应发送一个空的8位数据出去，从而获得返回值，因为根据19.1.3，需要发送空数据以启动移位操作；
• 发送24位地址需要分开三次发，高8位→中8位→低8位；
  
• 每次操作完毕后记得拉高片选；
• 这里的GPIO初始化指的是Flash芯片的片选引脚初始化；
• 读、改、写的步骤是为了避免要写入的扇区原来就有数据，因此要先将扇区的数据读出来，然后放到一个大数组中；在大数组中写入自己需要写入的数据，然后擦除扇区，再将数组的数据写入扇区中；
•  如在写入前不进行数据读取与比对，那么直接写入后与写入地址同扇区的数据将被擦除，因为擦除的最小单位是扇区；

4    QSPI

4.1    基本概念

STM32F1系列并没有QSPI的外设。了解有更快的SPI传输数据的方式即可。

4.2    SPI的分类

• SPI加速的思路：复用更多的引脚做IO，以提高一次性传输的数据；