一、SPI简介

  SPI 是 Serial Peripheral interface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是 Motorola首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便。
  SPI为主从工作模式，一个SPI通讯系统有且只有一个主设备，可以有一个或多个从设备。SPI接口的读写操作，都是由主设备控制。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

1.SPI信号线

  SPI包含4条总线，分别为SS、SCK、MOSI、MISO.

  (1)SS( Slave Select) ,片选信号线
  当有多个SPI设备与MCU相连时，每个设备的这个片选信号线是与MCU单独的引脚相连的，而其他的SCK、MOSI、MISO线则为多个设备并联到相同的SPI总线上。当SS信号线为低电平时，片选有效，开始SPI通信。
  (2)SCK (Serial Clock) ,时钟信号线
  由主通信设备产生，不同的设备支持的时钟频率不一样，如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk</2。
  (3)MOSI(MasterOutput,SlaveInput),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数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
  (4)MISO(MasterInput,SlaveOutput),主设备输入/从设备输出引脚
  主机从这条信号线读入数据，从机的数据则由这条信号线输出，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2.SPI模式

  根据SPI时钟极性(CPOL) 和时钟相位(CPHA) 配置的不同，分为4种SPI模式，使用SPI协议通信时，主机和从机要选择相同的SPI模式。

  时钟极性是指SPI通信设备处于空闲状态时(也可以认为这是SPI通信开始时，即SS线为低电平时)，SCK信号线的电平信号. CPOL=0时，SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时则相反。
  时钟相位是指数据采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的奇数边沿被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的偶数边沿采样。

3.SPI时序

  以CPHA=0为例来分析工作时序图。
  首先，由主机把片选信号线SS拉低，意为主机输出。
  在SS被拉低的时刻，SCK分为两种情况。若我们设置为CPOL=0,则SCK时序在这个时刻为低电平，若设置为CPOL=1，则SCK在这个时刻为高电平.
  无论CPOL为0还是为1,由于为我们配置的时钟相位CPHA=0,在采样时刻的时序中我们可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿(注意奇数边沿有时为下降沿，有时为上升沿)。
  因此，MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，这个信号将在SCK奇数边沿时被采集，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。
  对于CPHA=1的情况也很类似，但数据信号的采样时刻为偶数边沿。
  使用SPI协议通信时，主机和从机的时序要保持一致，即两者都选择相同的SPI模式。

二、STM32的SPI

1.SPI特性

  STM32的小容量产品有一个SPI接口，中容量的有两个，而大容量的则有3个。在大容量产品和互联型产品上，SPI接口可以配置为支持SPI协议或者支持I2S音频协议。SPI接口默认工作在SPI方式，可以通过软件把功能从SPI模式切换到I2S模式。在小容量和中容量产品上，不支持I2S音频协议。
  SPI允许芯片与外部设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为外部从设备提供通信时钟(SCK)。
  其功能特点主要如下：
  ● 全双工同步传输
  ● 8或16位传输帧格式选择
  ● 主或从操作
  ● 8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2)
  ● 从模式频率 (最大为fPCLK/2)
  ● 主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理：主/从操作模式的动态改变
  ● 可编程的时钟极性和相位
  ● 可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前
  ● 可触发中断的专用发送和接收标志
  ● 可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志
  ● 支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求

2.SPI架构

  上图为STM32的SPI架构图，可以看到MISO数据线接收到的信号经移位寄存器处理后把数据转移到接收缓冲区，然后这个数据就可以由我们的软件从接收缓冲区读出了。
  当要发送数据时，我们把数据写人发送缓冲区，硬件将会把它用移位寄存器处理后输出到MOSI数据线。
  SCK的时钟信号则由波特率发生器产生，我们可以通过波特率控制位(BR) 来控制它输出的波特率。
  控制寄存器CR1掌管着主控制电路，STM32 的SPI模块的协议设置(时钟极性、相位等)就是由它来制定的。而控制寄存器CR2则用于设置各种中断使能。
  最后为NSS引脚，这个引脚扮演着SPI协议中的SS片选信号线的角色，如果我们把NSS引脚配置为硬件自动控制，SPI 模块能够自动判别它能否成为SPI的主机，或自动进入SPI从机模式。但实际上我们用得更 多的是由软件控制某些GPIO引脚单独作为SS信号， 这个GPIO引脚可以随便选择。

3.SPI库函数配置

  以SPI1 主模式为例：
（1）配置相关引脚的复用功能，使能 SPI1 时钟。
  我们要用 SPI1，第一步就要是能 SPI1 的时钟，SPI1 的时钟通过 APB2ENR 的第 12 位来设置。其次要设置 SPI1 的相关引脚为复用输出，否则这些 IO 口还是默认的状态，也就是标准输入输出口。这里我们使用的是 PA5、6、7 这 3 个（SCK.、MISO、MOSI，CS使用软件管理方式），所以设置这三个为复用 IO。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );//PORTA 时钟使能
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI1, ENABLE );//SPI1 时钟使能
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //PA5,6,7 复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIOB

（2）初始化 SPI1,设置 SPI1 工作模式
  初始化 SPI1,设置 SPI1 为主机模式，设置数据格式为 8 位，然设置 SCK 时钟极性及采样方式。并设置 SPI1 的时钟频率（最大 18Mhz），以及数据的格式（MSB 在前还是LSB 在前），通过 SPI_Init 函数来实现的。

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct)；

  第一个参数是 SPI 标号，这里我们是使用的 SPI1，第二个参数结构体类型 SPI_InitTypeDef 的定义：

typedef struct
{
    
 uint16_t SPI_Direction;
 uint16_t SPI_Mode;
 uint16_t SPI_DataSize;
 uint16_t SPI_CPOL;
 uint16_t SPI_CPHA;
 uint16_t SPI_NSS;
 uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;
 uint16_t SPI_FirstBit;
 uint16_t SPI_CRCPolynomial;
}SPI_InitTypeDef;

  第一个参数 SPI_Direction 是用来设置 SPI 的通信方式，可以选择为半双工，全双工，以及串行发和串行收方式，这里我们选择全双工模式SPI_Direction_2Lines_FullDuplex。
  第二个参数 SPI_Mode 用来设置 SPI 的主从模式，这里我们设置为主机模式SPI_Mode_Master，当然有需要你也可以选择为从机模式 SPI_Mode_Slave。
  第三个参数 SPI_DataSiz 为 8 位还是 16 位帧格式选择项，这里我们是 8 位传输，选择SPI_DataSize_8b。
  第四个参数 SPI_CPOL 用来设置时钟极性，我们设置串行同步时钟的空闲状态为高电平所以我们选择 SPI_CPOL_High。
  第五个参数 SPI_CPHA 用来设置时钟相位，也就是选择在串行同步时钟的第几个跳变沿（上升或下降）数据被采样，可以为第一个或者第二个条边沿采集，这里我们选择第二个跳变沿，所以选择 SPI_CPHA_2Edge
  第六个参数 SPI_NSS 设置 NSS 信号由硬件（NSS 管脚）还是软件控制，这里我们通过软件控制 NSS 关键，而不是硬件自动控制，所以选择 SPI_NSS_Soft。
  第七个参数 SPI_BaudRatePrescaler 很关键，就是设置 SPI 波特率预分频值也就是决定 SPI 的时钟的参数，从不分频道 256 分频 8 个可选值，初始化的时候我们选择 256 分频值SPI_BaudRatePrescaler_256, 传输速度为 36M/256=140.625KHz。
  第八个参数 SPI_FirstBit 设置数据传输顺序是 MSB 位在前还是 LSB 位在前，，这里我们选择SPI_FirstBit_MSB 高位在前。
  第九个参数 SPI_CRCPolynomial 是用来设置 CRC 校验多项式，提高通信可靠性，大于 1 即可。
  代码：

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //双线双向全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //主 SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // SPI 发送接收 8 位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//第二个跳变沿数据被采样
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS 信号由软件控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //预分频 256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //数据传输从 MSB 位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC 值计算的多项式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 SPIx 寄存器

（3）使能 SPI1
  使能 SPI1 通信了，在使能 SPI1 之后，就可以开始 SPI 通讯了。使能 SPI1 的方法是：

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能 SPI 外设

（4）SPI 传输数据
  通信接口需要有发送数据和接受数据的函数。
  发送函数原型为：

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data)；

  往 SPIx 数据寄存器写入数据 Data，从而实现发送。
  接受数据函数原型为：

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ；

  从 SPIx 数据寄存器读出接受到的数据。
（5）查看 SPI 传输状态
  在 SPI 传输过程中，我们经常要判断数据是否传输完成，发送区是否为空等等状态，这是通过函数 SPI_I2S_GetFlagStatus 实现的，方法是：

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE)；

4.SPI常用寄存器

（1）SPI控制寄存器1（SPI_CR1)



（2）SPI控制寄存器2（SPI_CR2)



（3）SPI状态寄存器（SPI_SR)



（4）SPI数据寄存器（SPI_DR)

三、SPI读写FLASH

1.SPI.C

 #include "spi.h"
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
void SPI1_Init(void)
{
    
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA|
RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE ); //①GPIO,SPI 时钟使能
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7); //①初始化 GPIO
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //设置 SPI 全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置 SPI 工作模式:设置为主 SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // 8 位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//选择了串行时钟的稳态:时钟悬空高
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //数据捕获于第二个时钟沿
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS 信号由硬件管理
 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //预分频 256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //数据传输从 MSB 位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC 值计算的多项式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //②根据指定的参数初始化外设 SPIx 寄存器
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //③使能 SPI 外设
SPI1_ReadWriteByte(0xff);/ /④启动传输
}
//SPI 速度设置函数
//SpeedSet:
//SPI_BaudRatePrescaler_2 2 分频 (SPI 36M@sys 72M)
//SPI_BaudRatePrescaler_8 8 分频 (SPI 9M@sys 72M)
//SPI_BaudRatePrescaler_16 16 分频 (SPI 4.5M@sys 72M)
//SPI_BaudRatePrescaler_256 256 分频 (SPI 281.25K@sys 72M)

void SPI1_SetSpeed(u8 SpeedSet)
{
    
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SpeedSet ;
 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);
}
//SPIx 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
    
u8 retry=0;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的 SPI
标志位设置与否:发送缓存空标志位
{
    
retry++;
if(retry>200)return 0;
}
SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设 SPIx 发送一个数据
retry=0;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)//检查指定的
SPI 标志位设置与否:接受缓存非空标志位
{
    
retry++;
if(retry>200)return 0;
}
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过 SPIx 最近接收的数据

}

  此部分代码主要初始化 SPI，SPI 初始化函数的最后有一个启动传输，这句话最大的作用就是维持 MOSI 为高电平，不是必须的，可以去掉。
  在 SPI1_Init 函数里面，把 SPI1 的频率设置成了最低（36Mhz，256 分频）。在外部函数里面，通过 SPI1_SetSpeed 来设置 SPI1 的速度，而的数据发送和接收则是通过SPI1_ReadWriteByte 函数来实现的。

2.SPI_Flash_Read 函数

  该函数用于从W25Q64 的指定地址读出指定长度的数据。
  其代码如下：

//读取 SPI FLASH
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大 65535)
void SPI_Flash_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)
{
    
u16 i;
SPI_FLASH_CS=0; //使能器件
 SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令
 SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送 24bit 地址
 SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));
 SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);
 for(i=0;i<NumByteToRead;i++) pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);//循环读数
SPI_FLASH_CS=1; //取消片选
}

  W25Q64 支持以任意地址（但是不能超过 W25Q64 的地址范围）开始读取数据，在发送 24 位地址之后，程序就可以开始循环读数据了，其地址会自动增加，但不能超过了W25Q64 的地址范围。

3.SPI_Flash_Write 函数

  该函数的作用与 SPI_Flash_Read 的作用类似，用来写数据到 W25Q64 里面的，其代码如下：

//写 SPI FLASH
//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大 65535)
u8 SPI_FLASH_BUFFER[4096];
void SPI_Flash_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
    
u32 secpos; u16 secoff;
u16 secremain; u16 i;
secpos=WriteAddr/4096; //扇区地址
secoff=WriteAddr%4096; //在扇区内的偏移
secremain=4096-secoff; //扇区剩余空间大小
if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于 4096 个字节
while(1)
{
    
SPI_Flash_Read(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容
for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据
{
    
if(SPI_FLASH_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除
}
if(i<secremain)//需要擦除
{
    
SPI_Flash_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区
for(i=0;i<secremain;i++) SPI_FLASH_BUF[i+secoff]=pBuffer[i]; //复制
SPI_Flash_Write_NoCheck(SPI_FLASH_BUF,secpos*4096,4096);//写整个扇区
}else SPI_Flash_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的
if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了
else//写入未结束
{
    
secpos++; //扇区地址增 1
secoff=0; //偏移位置为 0
 pBuffer+=secremain; //指针偏移
WriteAddr+=secremain; //写地址偏移
 NumByteToWrite-=secremain; //字节数递减
if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;//下一个扇区还是写不完
else secremain=NumByteToWrite; //下一个扇区可以写完了
}
};
}

  该函数可以在 W25Q64 的任意地址开始写入任意长度（必须不超过 W25Q64 的容量）的数据。先获得首地址（WriteAddr）所在的扇区，并计算在扇区内的偏移，然后判断要写入的数据长度是否超过本扇区所剩下的长度，如果不超过，再先看看是否要擦除，如果不要，则直接写入数据即可，如果要则读出整个扇区，在偏移处开始写入指定长度的数据，然后擦除这个扇区，再一次性写入。当所需要写入的数据长度超过一个扇区的长度的时候，我们先按照前面的步骤把扇区剩余部分写完，再在新扇区内执行同样的操作，如此循环，直到写入结束。

4.MAIN.C

//要写入到 W25Q64 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={
    "WarShipSTM32 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
    
u8 key;
u16 i=0;
u8 datatemp[SIZE];
u32 FLASH_SIZE;
delay_init(); //延时函数初始化
uart_init(9600); //串口初始化为 9600
LED_Init(); //初始化与 LED 连接的硬件接口
LCD_Init(); //初始化 LCD
KEY_Init(); //按键初始化
SPI_Flash_Init(); //SPI FLASH 初始化
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SPI TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2014/3/9");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"WK_UP:Write KEY0:Read");//显示提示信息
while(SPI_Flash_ReadID()!=W25Q64) //检测不到 W25Q64
{
    
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"25Q64 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"25Q64 Ready!");
FLASH_SIZE=8*1024*1024; //FLASH 大小为 8M 字节
 POINT_COLOR=BLUE; //设置字体为蓝色
while(1)
{
    
key=KEY_Scan(0);
if(key==WKUP_PRES) //WK_UP 按下,写入 W25Q64
{
    
LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);//清除半屏
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Write W25Q64....");
SPI_Flash_Write((u8*)TEXT_Buffer,FLASH_SIZE-100,SIZE);
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"W25Q64 Write Finished!");//提示传送完成
}
if(key==KEY0_PRES) //KEY0 按下,读取字符串并显示
{
    
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"Start Read W25Q64.... ");
SPI_Flash_Read(datatemp,FLASH_SIZE-100,SIZE);//从指定地址读 SIZE 字节
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"The Data Readed Is: ");//提示传送完成
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,datatemp); //显示读到的字符串
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20) {
     LED0=!LED0; i=0; }//提示系统正在运行
}
}

参考资料

  1.STM32 SPI详解
  2.【STM32】SPI的基本原理、库函数（SPI一般步骤）
  3.SPI协议详解
  4.STM32系统学习——SPI（读写串行 FLASH）