【经验】中科芯CKS32F4xx系列MCU SPI通信配置及读写SPI FLASH指南

SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议（Serial Peripheral Interface），即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它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在布局上节省了空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，它被广泛地使用在ADC、LCD、FLASH等设备与MCU之间的通信。

中科芯CKS32F4xx系列产品SPI介绍

中科芯CKS32F4xx系列MCU的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2（CKS32F407型号的芯片默认fpclk为142MHz，fpclk2为84MHz），完全支持SPI协议的4种模式。SPI协议根据CPOL及CPHA的不同状态分成的四种工作模式如下表所示：

CKS32F4xx系列的SPI架构如下图所示：

图中的1处是SPI的引脚MOSI、MISO、SCK、NSS。CKS32F4xx芯片有多个 SPI外设，它们的SPI通讯信号引出到不同GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。关于GPIO引脚的复用功能可以查阅芯片数据手册。各个引脚的作用介绍如下：

1、NSS：从设备选择信号线，常称为片选信号线。当有多个SPI从设备与 SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；而每个从设备都有独立的一条NSS信号线，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。

2、SCK：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

3、MOSI：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主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

4、MISO：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

图中的2处是SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

图中的3处是SPI的数据控制逻辑。SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中，通过“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧的长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式；配置“LSBFIRST位”可选择MSB先行还是LSB先行。

图中的4处是SPI的整体控制逻辑。整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器（CR1/CR2）”的参数而改变，基本的控制参数包括SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器（SR）”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。实际应用中，我们一般不使用CKS32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

CKS32F4xx系列的SPI作为通讯主机端时收发数据的过程如下：

(1) 控制NSS信号线，产生起始信号；

(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；

(3) 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

(5) 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为1时，通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发“数据寄存器DR”中的数据。

CKS32F4xx系列产品SPI的配置

接下来我们讲解如何利用CKS32F4xx系列固件库来完成对SPI的配置使用。跟其它外设一样，CKS32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置 SPI外设。了解初始化结构体后我们就能对SPI外设运用自如了，代码如下：

结构体中各个成员变量的介绍及初始化时可被赋的值如下：

1、 SPI_Direction：本成员设置SPI的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

2、SPI_Mode：本成员设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave )，这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，CKS32的SPI外设将接受外来的SCK信号：

3、SPI_DataSize: 本成员可以选择SPI通讯的数据帧大小是为8位 (SPI_DataSize_8b)还是16位(SPI_DataSize_16b)。

4、SPI_CPOL和SPI_CPHA: 这两个成员配置SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA，前面讲过这两个配置影响到SPI的通讯模式。时钟极性CPOL成员可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low )。时钟相位CPHA则可以设置为SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据)或SPI_CPHA_2Edge(在SCK的偶数边沿采集数据)。

5、SPI_NSS：本成员配置NSS引脚的使用模式，可以选择为硬件模式 (SPI_NSS_Hard)与软件模式(SPI_NSS_Soft)，在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生，而软件模式则需要我们自己把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。

6、SPI_BaudRatePrescaler：本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分频。可选的值如下所示：

7、SPI_FirstBit: 所有串行的通讯协议都会有MSB先行（高位数据在前）还是LSB先行（低位数据在前）的问题，而CKS32F4xx系列的SPI模块可以通过这个结构体成员，对这个特性编程控制。

8、SPI_CRCPolynomial：这是SPI的CRC校验中的多项式，若我们使用CRC 校验时，就使用这个成员的参数（多项式），来计算CRC的值。

配置完这些结构体成员的值，调用库函数SPI_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

CKS32F4xx读写SPI FLASH实验

串口的DMA接发通信实验是存储器到外设和外设到存储器的数据传输。在第24本小节以一种使用SPI通讯的串行FLASH存储芯片的读写实验为大家讲解CKS32F4xx系列的SPI使用方法。实验中的FLASH芯片（型号：W25Q32）是一种使用SPI通讯协议的NORFLASH存储器，它的CS/CLK/DIO/DO引脚分别连接到了CKS32F4xx对应的SPI引脚NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中CKS32F4xx的NSS引脚是一个普通的GPIO，不是SPI的专用NSS引脚，所以程序中我们要使用软件控制的方式。

1、编程要点

(1) 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟；  

(2) 使能SPI外设的时钟；

(3) 配置SPI外设的模式、地址、速率等参数并使能SPI外设；

(4) 编写基本SPI按字节收发的函数； 

(5) 编写对FLASH擦除及读写操作的的函数； 

(6) 编写测试程序，对读写数据进行校验。 

2.代码分析

代码清单1：W25Q32初始化配置

上面的代码主要是完成对W25Q32片选引脚的初始化，SPI初始化。SPI通信速率设置和读取W25Q32的ID。

代码清单2：SPI初始化函数

上面这段代码主要是完成对SPI1的初始化，首先是配置了SPI1使用的引脚SPI1_SCK、SPI1_MOSI和SPI1_MISO。然后是根据第2小节的内容完成对SPI1外设模式的配置。根据FLASH芯片W25Q32的说明，它支持SPI模式0及模式3，支持双线全双工，使用MSB先行模式，支持最高通讯时钟为104MHz，数据帧长度为8位。我们要把CKS32F4的SPI外设中的这些参数配置一致。

代码清单3：SPI1单字节收发函数

本函数中不包含SPI起始和停止信号，只是收发的主要过程，所以在调用本函数前后要做好起始和停止信号的操作。通过检测TXE标志，获取发送缓冲区的状态，若发送缓冲区为空，则表示可能存在的上一个数据已经发送完毕；等待至发送缓冲区为空后，调用库函数SPI_I2S_SendData把要发送的数据“TxData”写入到SPI的数据寄存器DR，写入SPI数据寄存器的数据会存储到发送缓冲区，由SPI外设发送出去；写入完毕后等待RXNE事件，即接收缓冲区非空事件。由于SPI双线全双工模式下MOSI与MISO数据传输是同步的，当接收缓冲区非空时，表示上面的数据发送完毕，且接收缓冲区也收到新的数据；等待至接收缓冲区非空时，通过调用库函数SPI_I2S_ReceiveData读取SPI的数据寄存器DR，就可以获取接收缓冲区中的新数据了。代码中使用关键字“return”把接收到的这个数据作为SPI1_ReadWriteByte函数的返回值。

搞定了SPI的基本收发单元后，还需要了解如何对FLASH芯片进行读写。FLASH 芯片自定义了很多指令，我们通过控制CKS32F4利用SPI总线向FLASH 芯片发送指令，FLASH芯片收到后就会执行相应的操作。具体的指令代码可以查看W25Q32芯片的数据手册。

代码清单4：读取FLASH芯片ID函数

这段代码利用控制CS引脚电平的宏“W25QXX_CS”以及前面编写的单字节收发函数SPI1_ReadWriteByte，很清晰地实现了读ID指令的时序，最后把读取到的这3个数据合并到一个变量Temp中，然后作为函数返回值，把该返回值与我们定义的芯片ID对比，即可知道FLASH芯片是否正常。

代码清单5：W25Q32写使能和写禁止函数

由于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”。所以在写入前，必须要对目标存储矩阵进行擦除操作，把矩阵中的数据位擦除为“1”，在数据写入的时候，如果要存储数据“1”， 那就不修改存储矩阵，在要存储数据“0”时，需要更改该位。W25Q32支持“扇区擦除”、“块擦除”以及“整片擦除”。 扇区擦除指令的第一个字节为指令编码，紧接着发送的3个字节用于表示要擦除的存储矩阵地址。要注意的是在扇区擦除指令前，还需要先发送“写使能”指令，发送扇区擦除指令后，通过读取寄存器状态等待扇区擦除操作完毕。

代码清单6：W25Q32扇区擦除函数

目标扇区被擦除完毕后，就可以向它写入数据了。与EEPROM类似，FLASH芯片也有页写入命令，使用页写入命令最多可以一次向FLASH传输256个字节的数据，我们把这个单位称为页大小。在进行页写入时第1个字节为“页写入指令”编码，2-4字节为要写入的“地址A”，接着的是要写入的内容，最多可以发送 256字节数据，这些数据将会从“地址A”开始，按顺序写入到FLASH的存储矩阵。若发送的数据超出256个，则会覆盖前面发送的数据。

代码清单7：W25Q32页写入函数

应用的时候我们常常要写入不定量的数据，直接调用“页写入”函数并不是特别方便，所以我们页写入函数的基础上编写了“不定量数据写入”的函数。在实际调用这个“不定量数据写入”函数时，还要注意确保目标扇区处于擦除状态

代码清单8：W25Q32不定量数据写入函数

函数的入口参数pBuffer是数据存储区、WriteAd是开始写入的地址（24bit）、NumByteToWrite是要写入的字节数(最大65535)gaojp。

相对于写入，FLASH芯片W25Q32的数据读取要简单的多，发送了指令编码及要读的起始地址和要读取的字节数之后，FLASH 芯片W25Q32就会按地址递增的方式返回存储矩阵中一定字节数量的数据。

代码清单9：W25Q32读取数据函数

函数的入口参数pBuffer是数据存储区、ReadAddr是开始读取的地址（24bit）、NumByteToRead是要读取的字节数（最大65535）。

完成基本的读写函数后，接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程。

代码清单10：W25Q32读写测试函数

代码中先填充一个数组，数组的内容为0,1至10，接着把这个数组的内容写入到SPI FLASH中，并将写入的数据打印输出到串口调试助手。写入完毕后再从SPI FLASH的地址中读取数据，把读取到的数据与写入的数据进行校验，若一致说明读写正常，否则读写过程有问题或者SPI FLASH芯片不正常，然后再将读取到的数据打印输出到串口调试助手。

代码清单11：主函数

主函数代码比较简单，主要是完成串口初始化和W25Q32的初始化，初始化完成之后会执行W25QXX_ReadID函数，读取W25Q32的ID，同时对ID进行判断，并将结果通过串口调试助手打印输出。然后会执行一次W25Q32测试函数，并将一些测试结果通过串口调试助手打印输出。