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一、SPI基础
1.1. SPI介绍
1.2. 一主机连接多从机
1.3. SPI结构
1.4. 数据接收和数据发送
1.5. 传输协议
1.6. SPI相关寄存器（F1/F4）
二、SPI相关HAL库驱动介绍
2.1 SPI相关函数
2.2 SPI结构体
三、NOR FLASH读取和擦写实验
3.1 NOR FLASH介绍
3.2 NM25Q128简介
3.3 电路连接
3.4 NM258Q128常用指令
3.5 输入输出序列
3.6 状态寄存器表
3.7 NOR FLASH基本驱动步骤
3.8 程序编写
一、SPI基础
1.1. SPI介绍
SPI：串行外设设备接口(Serial Peripheral Interface)，是一种高速，全双工，同步的通信总线(SCK线)。
这里对比IIC总线：
（1）SPI总线，为同步 串行 全双工，接口为MOSI(发送数据) MISO(接收数据) SCL(时钟线) CS(片选线)，一主多从或者一主一从，片选引脚选择，通信速率50MHz，数据格式8位或16位，MSB/LSB(高位先发/低位先发)
（2）IIC总线，同步 串行 半双工，接口为SDA(数据线) SCL(时钟线)，多主从，SDA上设备地址片选，通信速率100kHz、400kHz、3.4MHz，数据格式8位，MSB(高位先发)
SPI接口主要应用于存储芯片、AD转换器以及LCD中
1.2. 一主机连接多从机
将STM32的SCK、MOSI、MISO分别连接至外部芯片的SCK、MOSI和MISO，将多个片选CS1-CSn分别连接至各个芯片得CS端。
1.3. SPI结构
SPI相关引脚：MOSI（输出数据线）、MISO（输入数据线）、SCK（时钟）、NSS（片选 用软件管理NSS）
1.4. 数据接收和数据发送
（1）数据发送：主机模式->通过地址和数据总线->发送缓冲区（通过SPI_SR查询TXE位是否发送完成）->移位寄存器->MOSI
（2）数据接收：MISO->移位寄存器->接收缓冲区（查询SPI_SR的RXNE位是否接受完成）->地址&数据总线
1.5. 传输协议
（1）SPI：边沿协议（IIC：电平协议）
时钟极性（CPOL）：没有数据传输时时钟的空闲状态电平，0：SCK在空闲状态保持低电平，1：SCK在空闲状态保持高电平；
时钟相位（CPHA）：时钟线在第几个时钟边沿采样数据，0：SCK的第一边沿进行采样（数据在第一个时钟边沿被锁存），1：SCK的第二边沿进行数据采样（数据在第二个时钟边沿被锁存）
（2）工作模式
0：CPOL0 CPHA0，SCL空闲状态低电平，采样边沿 上升沿，采样时刻 奇数边沿；
1：CPOL0 CPHA1，SCL空闲状态低电平，采样边沿 下降沿，采样时刻 偶数边沿；
2：CPOL1 CPHA0，SCL空闲状态高电平，采样边沿 上升沿，采样时刻 奇数边沿；
3：CPOL1 CPHA1，SCL空闲状态高电平，采样边沿 下降沿，采样时刻 偶数边沿；
1.6. SPI相关寄存器（F1/F4）
SPI_CR1：SPI控制寄存器1，用于配置SPI工作参数
SPI_SR：SPI状态寄存器，用于查询SPI传输状态(TXE、RXNE)
SPI_DR：SPI数据寄存器，用于存放待发送数据或接收数据，有两个缓冲区（TX/RX）
（1）SPI控制寄存器(SPI_CR1)：
SPI模式(位2)：主设备1（本设计配置为主设备），从设备0；
方向(位10)：全双工0，禁止输出1；
SSM(位9)：进制软件从设备管理0，启用软件从设备管理1（NSS引脚的电平由SSL位的值决定）；
SSL(位8)：内部从设备选择，只有在SSM置1才有意义，决定了NSS的电平；
DFF(位11)：数据帧格式，使用8位数据帧进行发送/接收0，使用16位接收/发送1；
LSBFIRST(位7)：先发送MSB高位0，先发送LSB低位1；
SPE(位6)：SPI使能，0禁止SPI，1启用SPI设备，在配置所有工作参数后配置；
BR(位5:3)：波特率控制，000 f_PCLK/2（72m/2=36m），001 f_PCLK/4，010 f_PCLK/8，011 f_PCLK/16，100 f_PCLK/32，101 f_PCLK/64，110 f_PCLK/128，111 f_PCLK/256；
CPOL(位1)：时钟极性，0空闲状态SCK低电平，1空闲状态SCK高电平；
CPHA(位0)：时钟相位，0数据从第一个边沿开始，1数据从第二个边沿开始。
（2）SPI状态寄存器
TXE(位1)：发送缓冲区非空0，发送缓冲区为空1（数据已发送）；
EXNE(位0)：接收缓冲区为空0，接收缓冲区非空1（已接受到数据）。
（3）数据寄存器
DR[15:0]：数据寄存器，对于8位的数据，发送和接收只会用[7:0]，[15:8]被强制0。对于16位会用到整个数据寄存器。
二、SPI相关HAL库驱动介绍
2.1 SPI相关函数
（1）__HAL_RCC_SPIx_CLK_ENABLE(...)：寄存器RCC_APB2ENR，功能描述使能SPIx时钟（x为第几个SPI）；
（2）HAL_SPI_Init(...)：寄存器SPI_CR1，初始化SPI；
（3）HAL_SPI_MspInit(...)：初始化回调，初始化SPI相关引脚；
（4）__HAL_SPI_ENABLE(...)：寄存器SPI_CR1(SPE)，使能SPI外设；
（5）__HAL_SPI_DISABLE(...)：寄存器SPI_CR1(SPE)，失能SPI外设（修改SPI速度需先失能）；
（6）HAL_SPI_Transmit(...)：寄存器SPI_DR和SPI_SR，用于SPI发送；
（7）HAL_SPI_Receive(...)：寄存器SPI_DR和SPI_SR，用于SPI接收；
（8）HAL_SPI_TransmitRecieve(...)：寄存器SPI_DR和SPI_SR，用于SPI同时接收发送；
2.2 SPI结构体
SPI_HandleTypeDef：
（1）句柄结构体SPI_TypeDef *Instance（基地址，第几个SPI）；
（2）初始化结构体SPI_InitTypeDef Init
SPI_InitTypeDef (括号内为本设计采用的设定)
uint32_t Mode SPI模式（主机）；
uint32_T Direction 工作方式（全双工）；
uint32_t DataSize 帧格式(8位)；
uint32_t CLKPolarity 时钟极性（CPOL=0）；
uint32_t CLKPhase 时钟相位(CPHA=0)；
uint32_t NSS SS控制方式（软件）；
uint32_t BaudRatePrescaler SPI波特率预分频值；
uint32_t FirstBit 数据传输顺序(MSB)
unit32_t TIMode 帧格式：Motorla/ TI（默认选择摩托罗拉）
uint32_t CRCCalculation 设置硬件CRC校验
unit32_t CRCPolynomial 设置CRC校验多项式
三、NOR FLASH读取和擦写实验
3.1 NOR FLASH介绍
FlASH常用的存储数据半导体器件，可重复擦写、按“扇区/块”擦除、掉电后数据可保存；
FLASH有一个物理特性：只能写0，不能写1，写1靠擦除；
FLASH有NOR FLASH和NAND FLASH两种
NOR FLASH：基于字节读取，读取速度块，独立地址/数据线，无坏快，支持XIP（可存放程序运行），25Qxx、程序ROM
NAND FLASH：基于块读写，读取速度稍慢，地址线共用，有坏快，不支持XIP（程序需要读取到RAM运行），EMMC、SSD、U盘等
3.2 NM25Q128简介
串行闪存器件，属于NOR FLASH的一种，容量为128Mb，擦写周期达10W次，数据保持达20年。
SPI数据传输模式：支持模式0，和模式3；
数据格式：数据程度8位大小，先发高位，再发低位（MSB）；
传输速度：支持标准模式104Mbit/s
地址范围：0x0~0xFFFFFF
3.3 电路连接
（1）CS：输入片选信号，这里可以选择任意一个GPIO口，电平拉低则表示选中该芯片；
（2）SO：信号输出，连接STM32的输入；
（3）WP：写保护，接3.3V可读可写，当拉低时只可读；
（4）HOLD：暂停通讯；
（5）CLK：时钟输入（接SCK）；
（6）SI：数据输入（接MOSI）。
3.4 NM258Q128常用指令
（1）写使能(0x06)：写入数据/擦除之前，必需先发送该指令；
（2）读SR1(0x05)：判定FLASH是否处于空闲状态；
（3）读数据(0x03)：用于读取NOR FLASH数据；
（4）页写(0x02)：用于写入NOR FLASH数据，最多写256字节；
（5）扇区擦除(0x20)：扇区擦除指令，最小擦除单位4096字节；
（6）状态寄存器1：BUSY位（0空闲状态，硬件自动清除；1当前处于忙碌状态），WEL位（执行WriteEnable指令该位为1，0则写禁止）
3.5 输入输出序列
（1）写使能（06H）
片选线CS拉低（发送脉冲）->主机发送06h->拉高片选
（2）读状态寄存器1（05H）
拉低CS片选（发送脉冲）->发送05h->返回SR1的值
（3）读时序
拉低CS片选（发送脉冲）->发送03h->发送24位地址（分3次）->读取数据1（继续给予时钟信号，可以往后一直读）->拉高片选
（4）页写时序（02H）
拉低片选（发送脉冲）->发送02H->发送24位地址->发送数据1（可以不拉高给时钟持续写，最多传输256个字节）->拉高片选
（5）扇区擦除时序（20H）
写入数据前，检查内存空间情况是否满足，不满足需擦除
3.6 状态寄存器表
0位(BUSY)：0空闲状态（硬件自动清楚），1处于忙碌状态；
1位(WEL)：0写禁止，1可以写/擦除
3.7 NOR FLASH基本驱动步骤
SPI配置步骤：
（1）SPI工作参数配置初始化（工作模式、时钟极性、时钟相位等，HAL_SPI_Init）；
（2）使能SPI时钟和初始化相关引脚（GPIO设为复用推挽输出模式，HAL_SPI_MspInit）；
（3）使能SPI（__HAL_SPI_ENABLE）；
（4）SPI传输数据（HAL_SPI_Transmit发送数据、HAL_SPI_Receive接收数据、HAL_SPI_TransmitRecieve进行发送与接收）；
（5）设置SPI传输速度（操作SPI_CR11寄存器中的波特率控制，修改前需失能SPI，。修改完后再使能）
3.8 程序编写
（1）spi.c文件编写
#include "./BSP/SPI/spi.h"SPI_HandleTypeDef g_spi1_handler; /* SPI1句柄 */void spi1_init(void) /*定义SPI初始化函数*/
{g_spi1_handler.Instance=SPI1_SPI; /*选择SPI1*/g_spi1_handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER; /*选用作为主机*/g_spi1_handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES; /*双线全双工*/g_spi1_handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT; /*进行8位传输*/g_spi1_handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH; /*设置时钟极性*/g_spi1_handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE; /*设置时钟相位*/g_spi1_handler.Init.NSS=SPI_NSS_SOFT; /*选择片选方式为软件*/g_spi1_handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_64; /*设置SPI分频，103为72mHz/分频数*/g_spi1_handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB; /*设置高位先传*/g_spi1_handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE; /*设置帧格式*/g_spi1_handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; /*关闭CRC校验*/g_spi1_handler.Init.CRCPolynomial=7; /*设置CRC校验多项式*/HAL_SPI_Init(&g_spi1_handler); /*对SPI进行初始化*/
}void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi) /*定义SPI回调函数*/
{SPI1_SPI_CLK_ENABLE(); /*SPI时钟使能*/GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct; /*SPI引脚初始化结构体*/if (hspi->Instance == SPI1_SPI) /*判断是否为SPI1*/{SPI1_SCK_GPIO_CLK_ENABLE(); /* SPI1_SCK角时钟使能 */SPI1_MISO_GPIO_CLK_ENABLE(); /* SPI1_MISO角时钟使能 */SPI1_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE(); /* SPI1_MOSI角时钟使能 *//* SCK引脚模式设置（复用输出） */gpio_init_struct.Pin = SPI1_SCK_GPIO_PIN; /*GPIOB,SCK时钟信号，PIN3*/gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /*推挽复用。可输出高低电平*/gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /*内部上拉，默认是高电平*/gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;gpio_init_struct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1;HAL_GPIO_Init(SPI1_SCK_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);/* MISO引脚模式（复用输出） */gpio_init_struct.Pin = SPI1_MISO_GPIO_PIN;HAL_GPIO_Init(SPI1_MISO_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);/* MOSI引脚模式（复用输出） */gpio_init_struct.Pin = SPI1_MOSI_GPIO_PIN;HAL_GPIO_Init(SPI1_MOSI_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);}}uint8_t spi1_read_write_byte(uint8_t txdata) /*定义读写函数,txdata为要写入的数据*/
{uint8_t rec_data=0; /*定义要写入的数据*/HAL_SPI_TransmitReceive(&g_spi1_handler, &txdata, &rec_data, 1, 1000); /*长度1字节，1000为超时时间*/return rec_data;}
（2）spi.h编写
#ifndef __SPI_H
#define __SPI_H#include "./SYSTEM/sys/sys.h"/******************************************************************************************/
/* SPI1 引脚 定义 */#define SPI1_SCK_GPIO_PORT GPIOB
#define SPI1_SCK_GPIO_PIN GPIO_PIN_3
#define SPI1_SCK_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 */#define SPI1_MISO_GPIO_PORT GPIOB
#define SPI1_MISO_GPIO_PIN GPIO_PIN_4
#define SPI1_MISO_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 */#define SPI1_MOSI_GPIO_PORT GPIOB
#define SPI1_MOSI_GPIO_PIN GPIO_PIN_5
#define SPI1_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 *//* SPI1相关定义 */
#define SPI1_SPI SPI1
#define SPI1_SPI_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE(); }while(0) /* SPI1时钟使能 */void spi1_init(void);
uint8_t spi1_read_write_byte(uint8_t txdata);#endif
（3）norflash.c程序编写
#include "./BSP/SPI/spi.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/NORFLASH/norflash.h"void norflash_init(void) /*初始化芯片函数*/
{NORFLASH_CS_GPIO_CLK_ENABLE(); /*NORFLASH CS角 时钟使能*/GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct; /* 定义引脚初始化结构体 */gpio_init_struct.Pin=NORFLASH_CS_GPIO_PIN; /* 片选引脚为.h文件定义引脚 */gpio_init_struct.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; /* 输出模式为推挽输出 */gpio_init_struct.Pull=GPIO_PULLUP; /* 设定输出为上拉模式，即空闲为高电平 */gpio_init_struct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /*高速模式，25mHz~100mHz *//* 初始化片选引脚 */HAL_GPIO_Init(NORFLASH_CS_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);spi1_init(); /* 初始化spi1 */spi1_read_write_byte(0xFF); /* 清楚DR（数据寄存器，存放发送和接收的数据）作用 */NORFLASH_CS(1); /* 默认情况拉高片选 */
}/* NORFLASH 的读函数 */
uint8_t norflash_read_data(uint32_t addr) /* addr为要读取数据的地址 */
{uint8_t rec_data=0; /* 接收数据 */NORFLASH_CS(0); /* 拉低片选 *//* 发送读命令 */spi1_read_write_byte(0x03); /* 读命令 *//* 发送地址 地址为24位 分三次发送 */spi1_read_write_byte(addr >> 16); /* 发送高8位 */spi1_read_write_byte(addr >> 8); /* 发送中8位 */spi1_read_write_byte(addr); /* 发送低8位 *//* 读取数据 */rec_data=spi1_read_write_byte(0xFF); /* 发送空字节，接收数据 */NORFLASH_CS(1); /* 接收完数据拉高 */return rec_data;
}/* 判断是否空闲函数 */
uint8_t norflash_sr1(void) /* 读取状态寄存器1的值 */
{uint8_t rec_data;NORFLASH_CS(0); /* 拉低电平使能 */spi1_read_write_byte(0x05); /* 输入读取SR1指令 */rec_data=spi1_read_write_byte(0xFF); /* 读取SR1的值 */NORFLASH_CS(1);return rec_data;
}/* 擦除扇区 */
void norflash_erase_sector(uint32_t addr)
{/* 写使能 */NORFLASH_CS(0); /* 拉低电平使能 */spi1_read_write_byte(0x06); /* 输入擦除指令 */NORFLASH_CS(1);/* 等待空闲 */while(norflash_sr1()&0x01); /* 等到0时，即空闲时执行下条 *//* 发送扇区擦除指令 */NORFLASH_CS(0); /* 拉低电平使能 */spi1_read_write_byte(0x20); /* 发送擦除指令 */spi1_read_write_byte(addr >> 16); /* 发送高8位 */spi1_read_write_byte(addr >> 8); /* 发送中8位 */spi1_read_write_byte(addr); /* 发送低8位 */NORFLASH_CS(1);while(norflash_sr1()&0x01); /* 等到0时，即空闲时执行下条 */
}static void norflash_write_page(uint8_t data, uint32_t addr)
{/* 擦除扇区 */norflash_erase_sector(addr);/* 写使能 */NORFLASH_CS(0); /* 拉低电平使能 */spi1_read_write_byte(0x06); /* 输入擦除指令 */NORFLASH_CS(1);/* 发送页写指令 */NORFLASH_CS(0); /* 拉低电平使能 */spi1_read_write_byte(0x20); /* 发送擦除指令 */spi1_read_write_byte(addr >> 16); /* 发送高8位 */spi1_read_write_byte(addr >> 8); /* 发送中8位 */spi1_read_write_byte(addr); /* 发送低8位 */spi1_read_write_byte(data); /* 发送要写入的数据 */NORFLASH_CS(1);}
（4）norflash.h程序编写
#ifndef __norflash_H
#define __norflash_H#include "./SYSTEM/sys/sys.h"/******************************************************************************************/
/* NORFLASH 片选 引脚 定义 */#define NORFLASH_CS_GPIO_PORT GPIOB
#define NORFLASH_CS_GPIO_PIN GPIO_PIN_14
#define NORFLASH_CS_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 *//******************************************************************************************//* NORFLASH 片选信号 0拉低，1拉高*/
#define NORFLASH_CS(x) do{ x ? \HAL_GPIO_WritePin(NORFLASH_CS_GPIO_PORT, NORFLASH_CS_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \HAL_GPIO_WritePin(NORFLASH_CS_GPIO_PORT, NORFLASH_CS_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \}while(0)/* 静态函数 */static void norflash_write_page(uint8_t data, uint32_t addr);//static void norflash_wait_busy(void); /* 等待空闲 */
//static void norflash_send_address(uint32_t address);/* 发送地址 */
//static void norflash_write_nocheck(uint8_t *pbuf, uint32_t addr, uint16_t datalen); /* 写flash,不带擦除 *//* 普通函数 */
void norflash_init(void); /*初始化芯片函数*/
void norflash_erase_sector(uint32_t addr); /* 扇区擦除 */
uint8_t norflash_sr1(void); /* 读取状态寄存器1的值 */
uint8_t norflash_read_data(uint32_t addr); /* addr为要读取数据的地址 */#endif
（5）main.c 程序编写
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/NORFLASH/norflash.h"/* 要写入到FLASH的字符串数组 */
const uint8_t g_text_buf[] = {"STM32 SPI TEST"};#define TEXT_SIZE sizeof(g_text_buf) /* TEXT字符串长度 */int main(void)
{uint8_t key;uint16_t i=0;HAL_Init();sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟，72Mhz */delay_init(72); /* 延时初始化 */usart_init(115200); /* 串口初始化115200 */key_init(); /* 初始化按键 */norflash_init(); /* norflash初始化 */uint8_t rec_data=0;while(1){key=key_scan(0);if(key==KEY1_PRES) /* 按键按下 */{norflash_write_page('A',0x123456); /* 地址范围0~0xFFFFFF */printf("write finish \r\n");}if(key==KEY0_PRES) /* 按键按下 */{rec_data=norflash_read_data(0x123456); /* 地址范围0~0xFFFFFF */printf("read finish \r\n");}}}