CH03-07-STM32F40x的SPI通信模块原理.pptx-淘文阁

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1、嵌入式系统原理与开发教程STM32F40 x的SPI通信模块原理主讲人：赖树明东莞理工学院01SPI总线概述02STM32F40 x的SPI控制器框架03SPI通信模块核心寄存器分析04SPI总线通信示例（W25Q64）0101SPI总线介绍总线概述总线物理拓扑结构总线通信原理总线特征SPI总线与I2C比较SPI总线介绍 SPI总线概述01SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的串行外围设备接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线。标准SPI接口是四线制接口，分别是MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、SCK（时钟线）、CS（片选线

2、），这种接口支持全双工通信。简介主要应用在大容量的EEPROM、串行Flash存储芯片、RTC实时时钟、高速A/D转换器、触摸屏控制器，串行LCD显示屏、数字信号处理器和数字信号解码器等器件。应用SPI总线介绍 SPI总线物理拓扑结构01硬件拓普结构SPI总线支持连接多个从机，通信总是由主机发起，主机通过的CS信号拉低来选择通信的从机进行。相对于I2C通过地址寻找从机，SPI总线依靠片选线去区分从机，因此每增加一个从机，硬件上就会增加多一个I/O口。选中从机后后，主机操作时钟线CLK，每个时钟周期在 MOSI、MISO上传输一位数据，通信完毕后，主机把CS电平拉高，释放与从机的通信。SPI 总

3、线在时序上有四种时序，通过 CPOL（时钟极性）和CPHA（相位）两个要素来决定配置具体某一种时序，后面会进行四种时序特点的介绍。SPI总线介绍 SPI总线通信时序01模式0第一种SPI模式0：CPOL=0，CPHA=0，表示CLK在空闲状态时为低电平，数据在时钟的上升沿采样，在下降沿移位，上图就以MOSI为0XB5，MISO为0XE5为例，采用模式0时数据的传输过程，传输过程如上图所示传输说明SPI总线介绍 SPI总线通信原理01模式1SPI模式1：CPOL=0，CPHA=1，表示CLK在空闲状态时为低电平，数据在时钟的下降沿采样，在上升沿移位，上图就以MOSI为0XB5，MISO为0XE5

4、为例，采用模式1时数据的传输过程，传输过程如上图所示。传输说明SPI总线介绍 SPI总线通信原理01模式2SPI模式2：CPOL=1，CPHA=1，表示CLK在空闲状态时为高电平，数据在时钟的下降沿采样，在上升沿移位，上图以MOSI为0XB5，MISO为0XE5为例，采用模式2时数据的传输过程，传输过程如上图所示。传输说明SPI总线介绍 SPI总线通信原理01模式3SPI模式3：CPOL=1，CPHA=0，表示CLK在空闲状态时为高电平，数据在时钟的上升沿采样，在下降沿移位。上图以MOSI为0XB5，MISO为0XE5为例，采用模式3时数据的传输过程，传输过程如上图所示。传输说明SPI总线介绍

5、 SPI总线特征总结 01SPI 总线硬件拓扑结构是一主多从结构，通过CS信号来决定通信的从机对象。SPI总线数据传输速率：STM32F40 x系列传输速度高达42M/bps（即fPCLK/2）;数据传输可以是8位或16位为单位进行数据传输，默认是先发送高位，再发送低位，STM32F40 x 的SPI是可以配置传输的顺序的。主机采哪一种时序模式由从机的时序要求决定，主机通过CPOL（时钟极性）和CPHA（相位）两个要素来配置。SPI接口的CS线是一个普通GPIO功能，对于主机是输出功能，对于从机是输入功能，主机总线上每增加一个从机，CS片选线就增加一根。通过过程：主机通过拉低CS线来选择从机，

6、然后通过CLK时钟线输出时钟信号，每个时钟MOSI线发送1个二进制位，同时MISO线接收1个二进制位。重要特征SPI总线介绍 SPI总线与I2C比较01特征对比SPI总线与总线与I2C总线比较总线比较功能说明SPI总线I2C总线主从设备片选设备地址数据格式数据格式不固定起始条件、数据位、应答位、停止条件总线接口MOSI、MISO、SCK、CS、GNDSDA、SCL、GND通信方式同步串行全双工同步串行半双工通信速度一般25M以上100K、400K、3.4M0202STM32F40 x的SPI控制器框架控制器框架STM32F40 x的SPI控制器框架02移位寄存器中的数据是直接从发送缓冲区来的，

7、同时，移位寄存器接收到新的数据后会直接送到接收缓冲区。发送缓冲区和接收缓冲区公用同一个数据寄存器，数据寄存器分发送缓冲区和接收缓冲区。从框架图可知道使用SPI模块关键是配置CR1,CR2寄存器，并且通过SR状态寄存器来获利实时工作状态SPI通信模块核心寄存器分析02位15BIDIMODE：双向通信数据模式使能:0:双线单向通信数据模式（全双工）；1：单线双向通信数据模式（半双工）。位11DFF：数据帧格式:0：为发送/接收选择8位数据帧格式；1：为发送/接收选择16位数据帧格式。位10RXONLY：只接收模式:0：全双工（发送和接收）1：关闭输出（只接收模式）。位7LSBFIRST：帧格式，0

8、：先发送MSB；1：先发送LSB。位6SPE：SPI使能，0：关闭外设；1：使能外设。位5:3BR2:0：波特率控制 000：fPCLK/2；001：fPCLK/4；010：fPCLK/8；011：fPCLK/16；100：fPCLK/32；101：fPCLK/64；110：fPCLK/128；111：fPCLK/256。位2MSTR：主模式选择 0：从配置1：主配置位1CPOL：时钟极性:0：空闲状态时，SCK保持低电平；1：空闲状态时，SCK保持高电平。位0CPHA：时钟相位:0：从第一个时钟边沿开始采样数据；1：从第二个时钟边沿开始采样数据。注意：为保证通信可靠性正在通信时不应更改该寄存

9、器的值。n nSPISPI控制寄存器控制寄存器1(SPI_CR1)1(SPI_CR1)SPI通信模块核心寄存器分析02位4FRF：帧格式0：SPI Motorola模式 1：SPI TI模式。位2SSOE：SS输出使能0：在主模式下禁止SS输出，可在多主模式配置下工作；1：在主模式下使能SS输出，不能在多主模式环境下工作。注意：不适用于I2S模式和SPI TI模式n nSPISPI控制寄存器控制寄存器2(SPI_CR2)2(SPI_CR2)SPI通信模块核心寄存器分析02位1TXE：发送缓冲区为空0：发送缓冲区非空；1：发送缓冲区为空。位0RXNE：接收缓冲区非空0：接收缓冲区为空；1：接收缓

10、冲区非空。n nSPISPI状态寄存器状态寄存器(SPI_SR)(SPI_SR)SPI通信模块核心寄存器分析02位15:0DR15:0：数据寄存器数据寄存器就是存放已接收或者要发送的数据，数据寄存器分为2个缓冲区，一个用于写入（发送缓冲区），一个用于读取（接收缓冲区），也就是说对数据寄存器执行写操作时，数据将写入发送缓冲区，对从数据寄存器执行读取操作时，将返回接收缓冲区中的值。n nSPISPI数据寄存器数据寄存器(SPI_DR)(SPI_DR)0303SPI通信模块示例SPI Flash W25Q64介绍W25Q64芯片的工作原理W25Q64芯片的操作时序硬件原理图分析软件设计思路SPI通

11、信模块示例 W25Q64简介03W25Q64是华邦公司生产的一款Flash芯片，它的容量是8MB，硬件接口采用SPI通信总线，页大小为256B，并且不能跨页写数据，在正常模式下，通信速度最快支持80MHz，最小的擦除单位为一个扇区4KB，可擦除数据达10万次，数据可保存20年。W25Q64写数据时与AT24C02不一样，其中W25Q64写数据时只会写0，不会写1，W25Q64进行擦除时会将擦除的区域全部写成了1，所以在保存数据之前必须要将存储位置中的数据擦除，否则会造成存储在里面的数据不正常。W25Q64介绍/CS输入片选DO(IO1)输入输出数据输出（数据输入输出1*）/WP(IO2)输入

12、输出写保护输入（数据输入输出2*）GND无接地DI(IO0)输入输出数据输入（数据输入输出0*）CLK输入串行时钟输入/HOLD(IO3)输入输出保持输入（数据输入输出3*）VCC无电源供应 W25Q64引脚说明在编写驱动程序时，需要通过读取状态寄存器来获利W25Q64的状态，从而决定如何操作下一步。在状态寄存器1中，S0表现忙信号，当为0时表示不忙，当为1时表示忙。这里只关注S0位，其他位含义想了解的可以阅读W25Q64数据手册。状态寄存器SPI通信模块示例 W25Q64芯片的工作原理03W25Q64状态寄存器1W25Q64状态寄存器2W25Q64是诸多SPI Flash芯片之前，有很

13、厂家都可以生产类似功能的芯片，同时，同一厂家也会有不同容量的芯片，在操作时序上会有区别，因此芯片内部会固化厂家ID和和容量信息，如右边表格是华邦生产的W25Q64芯片的ID信息表，有了这些信息后，编写驱动程序就可以做到兼容性和通用性更强。芯片ID制造商ID芯片制造商编码华邦串行FLASHEFh设备ID(ID7-ID0)表示容量(ID15-ID0)表示内存类型指令ABh,90h9FhW25Q64BV16h4017h芯片制造商和设备标识芯片制造商和设备标识SPI通信模块示例 W25Q64芯片的工作原理03对W25Q64 读、擦除、写操作需要使用特定的流程，这些流程是通过能芯片发送命令和参数来实现的

14、，本节学习常用的命令操作。表表3.9 W25Q64芯片指令集表芯片指令集表指令名字1字节（命令）2字节3字节4字节5字节写使能06h 读状态寄存器105h(S7-S0)页编程02hA23-A16A15-A8A7-A0(D7-D0).扇区擦除（4KB）20hA23-A16A15-A8A7-A0 读数据03hA23-A16A15-A8A7-A0(D7-D0).操作命令写使能：只需要发送0 x06 给芯片即可读状态寄存器1：先0 x05 给芯片，然后读取芯片返回的1字节状态数据页编程：先0 x02 给芯片，然后发送24位目标地址给芯片字节数据,接着连续发送要写写入Flash中的数据（注意不结束地址限

15、定在页内地址）扇区擦除：先0 x20 给芯片，然后发送24位目标地址给芯片字节数据,接着读取状态寄存器状态，等待擦除完成。读数据：先0 x03 给芯片，然后发送24位目标地址给芯片字节数据,接着连续读取芯片发送出来的数据。相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x05/0 x35命令，接着主机向从机W25Q64发送0 x88(这个值不一定是0 x88，可以随便写，没有实质意义，只是为了产生CLK信号，如果使用模拟时序可以只操作时钟线产生CLK信号，接收芯片发出来的的数据即可)，最后主机拉高片选信号，结束读状态通信过程。SPI通信模块示例 W25Q64芯片的操作时序03W25Q64读状态

16、相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x03命令，然后发送要读取的数据对应的24位目标起始地址（高字节到低字节的顺序发送），接着连续接收DO线上的输出数据，最后主机拉高CS片选信号，结束读数据通信过程。注意：如果是硬件SPI，要读取两字节ID也需要发送两个字任意数据，以提供CLK时钟信号给芯片，如果模拟SPI主机，发送数据可选的，只需要手动给CLK时钟信号即可。SPI通信模块示例 W25Q64芯片的操作时序03W25Q64读数据相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x01命令，然后发送要写入的24位目标起始地址（高字节到低字节的顺序发送），接着把待写入的数据连续发送出去（注

17、意最后地址不能跨页写），最后主机拉高CS片选信号，结束写数据通信过程。SPI通信模块示例 W25Q64芯片的操作时序03W25Q64写数据相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x20命令，然后发送要写入的24位扇区地址（高字节到低字节的顺序发送），接着读取状态寄存器，等待芯片擦除完成，最后主机拉高CS片选信号，结束扇区擦除过程。SPI通信模块示例 W25Q64芯片的操作时序03W25Q64扇区擦除相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x52命令，然后发送要写入的24位块地址（高字节到低字节的顺序发送），接着读取状态寄存器，等待芯片擦除完成，最后主机拉高CS片选信号，结束块擦

18、除过程，块擦除要比扇区擦除耗时的时间要长一些，因为跨越的空间大。SPI通信模块示例 W25Q64芯片的操作时序03W25Q64块擦除（32K）相关操作主机拉低CS片选信号，主机向从机发送0 x90命令，然后发送要写入的24位块地址0 x000000，接着可以在DO引脚上接收到芯片的ID分别是厂家ID和设备ID，最后主机拉高CS片选信号。注意：如果是硬件SPI，要读取两字节ID也需要发送两个字任意数据，以提供CLK时钟信号给芯片，如果模拟SPI主机，发送数据可选的，只需要手动给CLK时钟信号即可。SPI通信模块示例 W25Q64芯片硬件实验原理分析03W25Q64读取芯片ID原理图分析查询STM

19、32F407数据手册可知道PB3、PB4、PB5是SPI1/3的功能接口，其中、PB14在原理图中设计为片选线，该信号是一个普通的输出功能引脚即可。PB3、PB4、PB5是是SPI1和SPI3共用的引脚，需要复用为SPI1还是SPI3通过软件配置来决定。SPI通信模块示例实验硬件原理分析03编程思路GPIO的配置：首先开时钟，PB14配置为输出模式，P3P4P5配置为SPI1复用功能，PB14的类型配置为推挽，P3P4P5类型配置为开漏，速度配置为50MHz。初始化STM32F407 SPI1控制器：配置为全双工模式0或模式3编写发送字节和接收字节的函数。编写W25Q64操作函数。SPI通信模

21、hile(SPI1-SR&(0X1 DR;return recv_data;SPI收发函数n读取芯片ID，只需要根据前面学习的读取ID的时序图，调用上面实现的SPI收发函数即可实现，具体代码流程如右边所示：SPI通信模块示例软件设计思路03#define SPI_CS_H()GPIOB-BSRRL=1BSRRH=114/片选低u16 w25q64_device_id(void)u16 device_id=0;SPI_CS_L();/片选 spi_send_recive_byte(0 x90);/发送命令 spi_send_ recive _byte(0 x00);/发送24位地址 spi_se

22、nd_ recive _byte(0 x00);spi_send_ recive _byte(0 x00);device_id=spi_send_recive_byte(0 x88);device_id=8;device_id|=spi_send_recive_byte(0 x88);SPI_CS_H();/取消片选 return device_id;SPI读取芯片ID函数n写数据前需要对芯片目标空间进行擦除才可以正确写入，可以有扇区擦除，块擦除，整片擦除，这里实现扇区擦除操作，只需要根据前面学习的读取扇区擦除的时序图，调用上面实现的SPI收发函数即可实现，具体代码流程如右边所示：SPI通信模

23、块示例软件设计思路03/*函数形参：扇区首地址word_addr*备注：一次擦除4KB，扇区首地址：4096的倍数。*/void w25q64_sector_erase(u32 word_addr)u8*addr_p=(u8*)&word_addr;/取指针 w25q64_write_enable();/写数据必须先写使能 SPI_CS_L();spi_send_recv_byte(0 x20);spi_send_recv_byte(*(addr_p+2);/分3次发24位地址过去 spi_send_recv_byte(*(addr_p+1);spi_send_recv_byte(*(addr

24、_p+0);SPI_CS_H();SPI读扇区擦除函数n把数据写入到W25Q64中保存起来，只需要按前面写时序图，调用上面实现的SPI收发函数，最后查询写状态即可，具体代码流程如下所示：SPI通信模块示例软件设计思路03 spi_send_recive_byte(*(addr_p+2);/分3次发8位地址数据 spi_send_recv_byte(*(addr_p+1);spi_send_recv_byte(*(addr_p+0);for(vari=0;vari data_num;vari+)spi_send_recv_byte(*(data_buf+vari);SPI_CS_H();whil

25、e(1)/等待不忙 status=w25q64_read_status();if(status&(0 x1 0)=0)break;/总线不忙了 SPI页写函数参数：word_addr 起始地址;data_num:要写的字节数量；data_buf：数据缓冲区首地址;void w25q64_write_data_bytes(u32 word_addr,u16 data_num,u8*data_buf)u8*addr_p=(u8*)&word_addr;u16 vari=0,status=0;w25q64_write_enable();/写数据必须先写使能 SPI_CS_L();spi_send_r

26、ecive_byte(0 x02);/02写命令n从W25Q64指定地址开始读取数据，只需要按前面读时序图，调用上面实现的SPI收发函数，具体代码流程如下所示：SPI通信模块示例软件设计思路03 spi_send_recive_byte(0 x03);/发03读命令 /分3次发，每次位8位，共24位地址数据。spi_send_recv_byte(*(addr_p+2);spi_send_recv_byte(*(addr_p+1);spi_send_recv_byte(*(addr_p+0);for(vari=0;vari data_num;vari+)data_bufvari=spi_send

27、_recive_byte(0 x88);SPI_CS_H();SPI页读函数参数：word_addr:起始地址;data_num:要读取的字节数量；data_buf:数据缓冲区首地址;void w25q64_read_data_bytes(u32 word_addr,u16 data_num,u8*data_buf)u8*addr_p=(u8*)&word_addr;u16 vari=0;SPI_CS_L();n从W25Q64指定地址开始读取数据，只需要按前面读时序图，调用上面实现的SPI收发函数，具体代码流程如下所示：SPI通信模块示例软件设计思路03 spi_send_recive_byt

28、e(0 x03);/发03读命令 /分3次发，每次位8位，共24位地址数据。spi_send_recv_byte(*(addr_p+2);spi_send_recv_byte(*(addr_p+1);spi_send_recv_byte(*(addr_p+0);for(vari=0;vari data_num;vari+)data_bufvari=spi_send_recive_byte(0 x88);SPI_CS_H();W26Q64 main函数参数：word_addr:起始地址;data_num:要读取的字节数量；data_buf:数据缓冲区首地址;void w25q64_read_da

29、ta_bytes(u32 word_addr,u16 data_num,u8*data_buf)u8*addr_p=(u8*)&word_addr;u16 vari=0;SPI_CS_L();n当前已经实现W25Q64所有的功能函数，现在我们把前面实现的功能函数组装到main函数中即可对SPI进行擦除，写，读取测试了，代码如下：SPI通信模块示例软件设计思路03 w25q64_id=w25q64_device_id();printf(w25q64_id=%#xrn,w25q64_id);w25q64_sector_erase(0);Delay_ms(100);/擦除后不能马上写 w25q64_

30、write_data_bytes(0,len,(u8*)data);Delay_ms(10);/读写切换最好有一个延时时间 w25q64_read_data_bytes(0,len,(u8*)rd_buffer);printf(读取到的数据:rn%srn,rd_buffer);while(1);SPI页读函数 char rd_buffer512=0;/接收缓存 int main(void)u16 w25q64_id=0;u16 len=strlen(data);Delay_Init(168);/延时初始化 uart2_init(UART_BDR);/初始化USART2 spi_init();/初始化SPI04致谢ACKNOWLEDGEMENTS感谢聆听，如有不足之处敬请指出，欢迎提出您的宝贵建议！致谢

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