解析灵动微MCU MM32SPIN0230的USART实现SPI读写Flash存储器方法

本文中MindMotion将为大家介绍MCU MM32SPIN0230的USART实现SPI读写Flash存储器的方法。

MM32SPIN0230的USART简介

MM32SPIN0230通用同步/异步收发器（USART）可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。通过内置波特率（包含整数及小数设定）发生器， USART 可以支持宽范围的波特率。
USART 支持异步模式（UART）、同步模式。其中 UART 支持单线半双工通信， UART 和同步模式支持调制解调器（CTS/RTS）操作。

MM32SPIN0230的USART功能框图
USART 的功能框图如下图1所示，由寄存器相关的控制单元、收发数据控制器、时钟控制器、硬件流控制单元以及引脚控制逻辑单元组成。

图1 MM32SPIN0230 USART功能框图

USART的同步模式
通过配置，USART_CR1.SAS 位为‘1’来使能同步模式（时钟引脚功能将同时有效）。
在同步模式下， USART_CR3.HDSEL 位应配置为‘0’。
同步模式支持主模式和从模式：主模式时使用内部波特率生成器生成的时钟，同时输出时钟；从模式时由 SCLK 引脚输入时钟。USART 在同步模式下，能与 SPI 实现数据通信（此时，用户应配置 SPI 与USART 的时钟极性、时钟相位为一致）。

USART的时钟
USART的时钟挂载在APB1总线上，由APB1总线提供工作时钟，以配置USART_CR2.CLKEN位为‘1’来使能时钟引脚功能， 同时根据USART_CR3.CKINE位配置来选择使用内部波特率时钟或从SCLK引脚输入时钟，以进行数据通信。
当选择内部波特率时钟时，可通过SCLK引脚输出同步时钟。
1帧数据的收发包含8个时钟脉冲。
当RE和TE都为‘0’， 时钟输出会停止， 并固定在USART_CR2.CPOL配置的电平。
通过配置USART_CR2.CPOL位选择时钟极性。
通过配置USART_CR2.CPHA位选择外部时钟相位。

USART时钟同步功能
SCLK 引脚作为发送器的时钟输出时，仅在数据段输出时钟，一帧数据输出 8 个时钟脉冲，最后一位发送完后，通信线保持最后一位的值，时钟输出固定在高电平或低电平（由 CPOL 位决定）。
USART 接收器在同步模式下的工作方式与异步模式下不同。如果RE=1，则数据在SCLK变化边沿上采样（上升或下降沿，取决于CPOL和CPHA位配置情况），而不会进行任何过采样。此时必须确保足够的建立时间和保持时间，以符合时序要求（类同于SPI协议）。
内部时钟源时，内部波特率生成器生成的波特率计算公式为：

其中通信波特率的单为MBps；PCLK 为内部时钟源的频率；MFD为波特率寄存器USART_BRR中整数分频（注意，在同步模式下应配置MFD≥2， 且小数分频FFD无效， 用户应配置FFD[3：0] 位为4’h0）。
使用内部时钟源且MFD=2时，同步模式的最高波特率为PCLK/8（MBps）。
外部时钟源时，要求外部输入时钟的最大频率为PCLK/8（ MHz），此时最高波特率也为PCLK/8（MBps）。

USART的特性描述
如下图2所示为USART的数据帧类型示意图，当USART用作同步通信时，可通过配置同步时钟引脚即USART_SCK引脚的时钟极性和时钟相位实现SPI功能的通信。此时没有起始位，校验位以及停止位功能，仅支持8位。通过配置时钟极性CPOL和时钟相位CPHA可以实现基于USART的SPI通信的工作模式0-3。

图2 MM32SPIN0230 USART数据帧类型示意图

USART同步模式实现SPI通信的配置步骤
MM32SPIN0230有一路USART1，USART1同步模式实现SPI通信的配置步骤如下所示。

使能USART1的时钟和用作USART1的GPIO时钟
●配置GPIO复用为USART1功能
●配置一路普通GPIO为推挽输出模式用于USART同步通信的CS引脚
●配置 USART1_CR1.SAS 位为‘1’来使能同步模式（时钟引脚功能将同时有效）
●配置 USART1_CR1.MLS 位为‘0’或 为‘1’来选择数据格式为LSB或MSB
●配置 USART1_CR3.HDSEL位为‘0’来选择数据通信为全双工模式
●配置 USART1_CR2.CPOL位为‘0’ 或 为‘1’设置时钟空闲时为低电平或高电平
●配置 USART1_CR2.CPHA位为‘0’ 或 为‘1’设置在时钟第一个变化沿捕获数据或在时钟第二个变化沿捕获数据
●配置USART1_BRR波特率寄存器小数分频FFD[3:0]为0（USART同步模式，波特率小数分频无效）
●配置USART1同步模式波特率，USART1_BRR波特率寄存器整数分频MFD[15:0]，需配置MFD>=2
●使能USART1接收和发送中断以及NVIC中断优先级（如有使用到USART接收和发送中断功能）
●使能USART1功能
●编写应用层USART1同步通信模式下数据接收、数据发送函数以及中断处理接收和中断发送函数。（如使能了接收和发送中断功能）

USART同步模式实现SPI通信 读写W25Q32存储器
根据以上配置步骤USART1同步模式实现SPI通信的配置步骤，使用MM32SPIN0230的库函数配置USART1为同步模式主机功能实现SPI通信读写W25Q32 Flash存储器，分别配置GPIO PA11复用为USART1_TX功能，PA12复用为USART1_RX功能，PB2复用为USART1_SCLK功能（注：USART1用作同步模式主机功能PA11 USART1_TX当做SPI_MOSI引脚使用，PA12 USART1_RX当做SPI_MISO引脚使用，PB2 USART1_SCLK当做SPI_SCL使用）并配置GPIO PB4为推挽输出模式当做SPI_CSS引脚使用。

USART1同步通信模式实现SPI通信的初始化代码如下所示：

#define SPI_FLASH_CS_H() GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_4, Bit_SET)
#define SPI_FLASH_CS_L() GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_4, Bit_RESET)
uint16_t DeviceID = 0;                /* W25Q32 Device ID */
uint32_t JEDEC_ID = 0;                /* W25Q32 JEDEC ID */
void USART_Configure(uint32_t Baudrate)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART1, ENABLE);
    USART_SyncMasterConfig(USART1, USART_Clock_Idle_Low, USART_Clock_Phase_1Edge, Baudrate);    /* USART Init configure SPI Mode0 */
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_5);   /* PA11 AF USART_TX for SPI_MOSI function */
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_5);   /* PA12 AF USART_RX for SPI_MISO function */
    GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource2,  GPIO_AF_6);   /* PB2 AF USART_SCLK for SPI_SCLK function */

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_4;        
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;  /* PB4 for SPI_CSS function */
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    SPI_FLASH_CS_H();                           /* Set PB4 for SPI_CSS High leve */
    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority = 0x01;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

USART1同步通信模式中断接收数据，代码如下所示：
void USART_Synchronous_RxData_Interrupt(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t i = 0;

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        USART_RxStruct.Buffer[i] = 0;
        USART_TxStruct.Buffer[i] = 0;
    }
    USART_RxStruct.Length = Length;
    USART_RxStruct.CurrentCount = 0;
    USART_RxStruct.CompleteFlag = 0;
    USART_TxStruct.Length = Length;
    USART_TxStruct.CurrentCount = 0;
    USART_TxStruct.CompleteFlag = 0;
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE);
    while (0 == USART_TxStruct.CompleteFlag)
    {
    }
    while (0 == USART_RxStruct.CompleteFlag)
    {
    }
    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        Buffer[i] = USART_RxStruct.Buffer[i];
    }
}  

USART1同步通信模式中断发送数据，代码如下所示：
void USART_Synchronous_TxData_Interrupt(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t i = 0;

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        USART_RxStruct.Buffer[i] = 0;
        USART_TxStruct.Buffer[i] = Buffer[i];
    }
    USART_RxStruct.Length = Length;
    USART_RxStruct.CurrentCount = 0;
    USART_RxStruct.CompleteFlag = 0;
    USART_TxStruct.Length = Length;
    USART_TxStruct.CurrentCount = 0;
    USART_TxStruct.CompleteFlag = 0;
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE);
    while (0 == USART_TxStruct.CompleteFlag)
    {
    }
    while (0 == USART_RxStruct.CompleteFlag)
    {
    }
}

USART1同步通信模式读SPI Flash，代码如下所示：
void SPI_FLASH_RxBuffer(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    if (Length)
    {
        USART_Synchronous_RxData_Interrupt(Buffer, Length);
    }
}


USART1同步通信模式写SPI Flash，代码如下所示：
void SPI_FLASH_TxBuffer(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    if (Length)
    {
        USART_Synchronous_TxData_Interrupt(Buffer, Length);
    }
}

USART1同步通信模式处理中断接收和发送命令和读写数据，即读写SPI Flash，代码如下所示：
void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t RxData = 0;

    if (RESET != USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE))
    {
        RxData = USART_ReceiveData(USART1);

        if (0 == USART_RxStruct.CompleteFlag)
        {
            USART_RxStruct.Buffer[USART_RxStruct.CurrentCount++] = RxData;
            if (USART_RxStruct.CurrentCount == USART_RxStruct.Length)
            {
                USART_RxStruct.CompleteFlag = 1;
                USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, DISABLE);
                USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);
            }
        }
    }
    if (RESET != USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE))
    {
        if (0 == USART_TxStruct.CompleteFlag)
        {
            USART_SendData(USART1, USART_TxStruct.Buffer[USART_TxStruct.CurrentCount++]);
            if (USART_TxStruct.CurrentCount == USART_TxStruct.Length)
            {
                USART_TxStruct.CompleteFlag = 1;
            }
        }
    }
}

USART1同步通信模式SPI Flash写使能，代码如下所示：
void SPI_FLASH_WriteEnable(void)
{
    uint8_t Command = 0x06;

    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(&Command, 0x01);
    SPI_FLASH_CS_H();
}

USART1同步通信模式判断SPI Flash是否处于总线忙转态，代码如下所示：
void SPI_FLASH_WaitBusy(void)
{
    uint8_t  Status     = 0;
    uint8_t  Command[2] =
    {
        0x05, 0xFF
    };
    uint32_t Timeout = 0;

    do
    {
        SPI_FLASH_CS_L();
        SPI_FLASH_TxBuffer(Command, 0x02);
        SPI_FLASH_RxBuffer(&Status, 0x01);
        SPI_FLASH_CS_H();

        if (Timeout++ > 0xFFFF)
        {
            break;
        }
    }
    while (Status & 0x01);
}

USART1同步通信模式读SPI Flash DeviceID，代码如下所示：
void SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{
    uint8_t  Command[4] =
    {
        0x90, 0xFF, 0xFF, 0x00
    };
    uint8_t  Buffer[2];
    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(Command, 0x04);
    SPI_FLASH_RxBuffer(Buffer, 0x02);
    SPI_FLASH_CS_H();
    DeviceID   = Buffer[0];
    DeviceID <<= 8;
    DeviceID  |= Buffer[1];
}

USART1同步通信模式读SPI Flash JEDEC ID，代码如下所示：
void SPI_FLASH_ReadJEDEC_ID(void)
{
    uint8_t  Command = 0x9F;
    uint8_t  Buffer[3];

    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(&Command, 0x01);
    SPI_FLASH_RxBuffer(Buffer, 0x03);
    SPI_FLASH_CS_H();
    JEDEC_ID   = Buffer[0];
    JEDEC_ID <<= 8;
    JEDEC_ID  |= Buffer[1];
    JEDEC_ID <<= 8;
    JEDEC_ID  |= Buffer[2];
}

USART1同步通信模式SPI Flash 扇区擦除，代码如下所示：
void SPI_FLASH_SectorErase(uint16_t Index)
{
    uint8_t  Command[4] =
    {
        0x20, 0x00, 0x00, 0x00
    };
    uint32_t Address = Index * 4 * 1024;

    Command[1] = (uint8_t)((Address >> 16) & 0x000000FF);
    Command[2] = (uint8_t)((Address >> 8) & 0x000000FF);
    Command[3] = (uint8_t)((Address >> 0) & 0x000000FF);
    SPI_FLASH_WriteEnable();
    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(Command, 4);
    SPI_FLASH_CS_H();
    SPI_FLASH_WaitBusy();
}

USART1同步通信模式快速读SPI Flash，代码如下所示：
void SPI_FLASH_FastRead(uint32_t Address, uint8_t *Buffer, uint32_t Length)
{
    uint8_t Command[5] =
    {
        0x0B, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF
    };
    Command[1] = (uint8_t)((Address >> 16) & 0x000000FF);
    Command[2] = (uint8_t)((Address >> 8) & 0x000000FF);
    Command[3] = (uint8_t)((Address >> 0) & 0x000000FF);
    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(Command, 0x05);
    SPI_FLASH_RxBuffer(Buffer, Length);
    SPI_FLASH_CS_H();
}

USART1同步通信模式页编程SPI Flash，代码如下所示：
void SPI_FLASH_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *Buffer, uint32_t Length)
{
    uint8_t Command[4] =
    {
        0x02, 0x00, 0x00, 0x00
    };
    Command[1] = (uint8_t)((Address >> 16) & 0x000000FF);
    Command[2] = (uint8_t)((Address >> 8) & 0x000000FF);
    Command[3] = (uint8_t)((Address >> 0) & 0x000000FF);
    SPI_FLASH_WriteEnable();
    SPI_FLASH_CS_L();
    SPI_FLASH_TxBuffer(Command, 0x04);
    SPI_FLASH_TxBuffer(Buffer, Length);
    SPI_FLASH_CS_H();
    SPI_FLASH_WaitBusy();
}

验证USART1同步通信模式读写W25Q32 SPI Flash，本实例在MDK Keil环境下编译验演示，在main函数中调用读写W25Q32 SPI Flash的函数，代码如下所示：
int main(void)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t EraseBuffer[100], WriteBuffer[100], ReadBuffer[100];
    USART_RxStruct.CompleteFlag = 0;
    USART_TxStruct.CompleteFlag = 1;
    USART_Configure(8000000); /* Configure USART Read/write SPI Flash baud rate 8M */
    SPI_FLASH_ReadDeviceID();
    SPI_FLASH_ReadJEDEC_ID();
    SPI_FLASH_SectorErase(0); /* USART erases the SPI Flash sector */
    SPI_FLASH_FastRead(0, EraseBuffer, 100);
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        WriteBuffer[i] = i;
    }
    SPI_FLASH_PageProgram(0, WriteBuffer, 100); /* USART page programming SPI Flash writes 100 bytes of data */
    SPI_FLASH_FastRead(0, ReadBuffer, 100); /* The USART reads 100 bytes of data written to the SPI Flash */

    PLATFORM_DeInitUSART1();
    PLATFORM_InitConsole(115200);
    printf("\r\n\r\n");
    printf("\r\nSPI Flash DeviceID : 0x%04x", DeviceID);
    printf("\r\nSPI Flash JEDEC ID : 0x%06x", JEDEC_ID);
    printf("\r\nSPI FLASH Sector Erase...");
    printf("\r\nSPI FLASH Read...");
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        if (0 == (i % 10))
        {
            printf("\r\n");
        }
        printf("0x%02x ", EraseBuffer[i]);
    }
    printf("\r\nSPI FLASH Page Program...");
    printf("\r\nSPI FLASH Read...");
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        if (0 == (i % 10))
        {
            printf("\r\n");
        }
        printf("0x%02x ", ReadBuffer[i]);
    }
    while (1)
    {
    }
}

使用MM32-LINK Mini调试下载工具连接MM32SPIN0230 MiniBoard，板子USB口连接USB串口工具连接到电脑端，打开串口调试助手，并配置串口波特率为115200，按快捷键F7编译工程，编译成功后按快捷键F8下载程序到MM32SPIN0230 MiniBoard，如下图3所示，串口调试助手分别打印输出了W25Q32 SPI Flash的DeviceID和JEDEC ID，USART1同步通信模式扇区擦除W25Q32 SPI Flash数据后读出的100字节0xFF数据（说明擦除成功），以及USART1同步通信模式写入到W25Q32 SPI Flash中的0-99共100字节数据（每行10字节，共10行），读出了写入的0-99共100字节数据，写入和读出的数据一致即0-99对应十六进制为0x00-0x63。

图3 测试结果