SPI/QSPI通信協議詳解和應用

SPi是高速全雙工的串行總線，通常應用在通訊速率較高的場合。

 

 SS：從設備選擇信號線，也稱片選信號線

每個從設備都有一個獨立的SS信號線，信號線獨占主機的一個引腳，及有多少個從設備就有多少個片選信號線，

I2c是通過設備地址來尋址，選中總線上的某個設備並與其進行通訊。

（SPi以SS線置低電平為開始信號，以ss線被拉高作為結束信號）摩托摩拉的標准

MOSI，主設備輸出、從設備輸入

MISO，主設備輸入，從設備輸出

 

 

 

 

 1，QSPI初始化步驟

1）開啟QSPI接口和相關IO的時鍾，設置IO口的復用功能。
要使用QSPI，肯定要先開啟其時鍾（由AHB3ENR控制），然后根據我們使用的QSPI IO口，開啟對應IO口的時鍾，並初始化相關IO口的復用功能（選擇QSPI復用功能）。
QSPI時鍾使能方法為：
__HAL_RCC_QSPI_CLK_ENABLE();        //使能QSPI時鍾
這里大家要注意，和其他外設處理方法一樣，HAL庫提供了QSPI的初始化回調函數HAL_QSPI_MspInit，一般用來編寫與MCU相關的初始化操作。時鍾使能和IO口初始化一般在回調函數中編寫。

2）設置QSPI相關參數。
此部分需要設置兩個寄存器：QUADSPI_CR和QUADSPI_DCR，控制QSPI的時鍾、片選參數、FLASH容量和時鍾模式等參數，設定SPI FLASH的工作條件。最后，使能QSPI，完成對QSPI的初始化。HAL庫中設置QSPI相關參數函數為HAL_QSPI_Init，該函數聲明為：
HAL_StatusTypeDef HAL_QSPI_Init(QSPI_HandleTypeDef *hqspi);

2，QSPI發送命令步驟
1）等待QSPI空閑
在QSPI發送命令前，必須先等待QSPI空閑，通過判斷QUADSPI_SR寄存器的BUSY位為0，來確定。
2）設置命令參數。
此部分主要是通過通信配置寄存器（QUADSPI_CCR）設置，將QSPI配置為：每次都發送指令、間接寫模式，根據具體需要設置：指令、地址、空周期和數據等的傳輸位寬等信息。如果需要發送地址，則配置地址寄存器（QUADSPI_AR）。
在配置完成以后，即可啟動發送。如果不需要傳輸數據，則需要等待命令發送完成（等待QUADSPI_SR寄存器的TCF位為1）。

3，QSPI讀數據步驟
1）設置數據傳輸長度
通過設置數據長度寄存器（QUADSPI_DLR），配置需要傳輸的字節數。2）設置QSPI工作模式並設置地址
因為要讀取數據，所以，設置QUADSPI_CCR寄存器的FMODE[1:0]位為01，工作在間接讀取模式。然后，通過地址寄存器（QUADSPI_AR），設置我們將要讀取的數據的首地址。
3）讀取數據
在發送完地址以后，就可以讀取數據了，不過要等待數據准備好，通過判斷QUADSPI_SR寄存器的FTF和TCF位，當這兩個位任意一個位為1的時候，我們就可以讀取QUADSPI_DR寄存器來獲取從FLASH讀到的數據。
最后，在所有數據接收完成以后，終止傳輸（ABORT），清除傳輸完成標志位（TCF）。

4，QSPI寫數據步驟
1）設置數據傳輸長度
通過設置數據長度寄存器（QUADSPI_DLR），配置需要傳輸的字節數。2）設置QSPI工作模式並設置地址
因為要讀取數據，所以，設置QUADSPI_CCR寄存器的FMODE[1:0]位為00，工作在間接寫入模式。然后，通過地址寄存器（QUADSPI_AR），設置我們將要寫入的數據的首地址。
3）寫入數據
在發送完地址以后，就可以寫入數據了，不過要等待FIFO不滿，通過判斷QUADSPI_SR寄存器的FTF位，當這個位為1的時候，表示FIFO可以寫入數據，此時往QUADSPI_DR寫入需要發送的數據，就可以實現寫入數據到FLASH。
最后，在所有數據寫入完成以后，終止傳輸（ABORT），清除傳輸完成標志位（TCF）。在HAL庫中，QSPI發送數據是通過函數HAL_QSPI_Transmit來實現的，

 

最后，我們看看W25Q256的初始化流程（QPI模式）：
1）使能QPI模式。
因為我們是通過QSPI訪問W25Q256的，所以先設置W25Q256工作在QPI模式下。通過W25X_EnterQPIMode指令控制。注意：在該指令發送之前，必須先使能W25Q256的QE位。
2）設置4字節地址模式。
W25Q256上電后，一般默認是3字節地址模式，我們需要通W25X_Enable4ByteAddr指令，設置其為四字節地址模式，否則只能訪問16MB的地址空間。
3）設置讀參數。
這一步，我們通過W25X_SetReadParam指令，將P[5:4]設置為11，以支持最高速度訪問W25Q256（8個dummy，104M時鍾頻率）。至此，W25Q256的初始化流程就完成了，接下來便可以通過QSPI讀寫數據了。

這是正點原子的代碼，后續自己深入再更新過.

這里要注意，該函數可以在W25Q256的任意地址開始寫入任意長度（必須不超過W25Q256的容量）的數據，先獲得所在扇區的首地址先獲得首地址（WriteAddr）所在的扇區，並計算在扇區內的偏移，然后判斷要寫入的數據長度是否超過本扇區所剩下的長度，如果不超過，再先看看是否要擦除，如果不要，則直接寫入數據即可，如果要則讀出整個扇區，在偏移處開始寫入指定長度的數據，然后擦除這個扇區，再一次性寫入。當所需要寫入的數據長度超過一個扇區的長度的時候，我們先按照前面的步驟把扇區剩余部分寫完，再在新扇區內執行同樣的操作，如此循環，直到寫入結束。這里我們還定義了一個W25QXX_BUFFER的全局變量，用於擦除時緩存扇區內的數據。

u16 W25QXX_TYPE=W25Q256;    //默認是W25Q256
u8 W25QXX_QPI_MODE=0;        //QSPI模式標志:0,SPI模式;1,QPI模式.

//4Kbytes為一個Sector
//16個扇區為1個Block
//W25Q256
//容量為32M字節,共有512個Block,8192個Sector 
                                                     
//初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Init(void)
{ 
    u8 temp;    
    QSPI_Init();                    //初始化QSPI
     W25QXX_Qspi_Enable();            //使能QSPI模式
    W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();    //讀取FLASH ID.
    //printf("ID:%x\r\n",W25QXX_TYPE);
    if(W25QXX_TYPE==W25Q256)        //SPI FLASH為W25Q256
    {
        temp=W25QXX_ReadSR(3);      //讀取狀態寄存器3，判斷地址模式
        if((temp&0X01)==0)            //如果不是4字節地址模式,則進入4字節地址模式
        { 
            W25QXX_Write_Enable();    //寫使能
            QSPI_Send_CMD(W25X_Enable4ByteAddr,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);//QPI,使能4字節地址指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據 
        }
        W25QXX_Write_Enable();        //寫使能
        QSPI_Send_CMD(W25X_SetReadParam,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);         //QPI,設置讀參數指令,地址為0,4線傳數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,1個字節數據
        temp=3<<4;                    //設置P4&P5=11,8個dummy clocks,104M
        QSPI_Transmit(&temp,1);        //發送1個字節       
    }
}  
//W25QXX進入QSPI模式 
void W25QXX_Qspi_Enable(void)
{
    u8 stareg2;
    stareg2=W25QXX_ReadSR(2);        //先讀出狀態寄存器2的原始值
    if((stareg2&0X02)==0)            //QE位未使能
    {
        W25QXX_Write_Enable();        //寫使能 
        stareg2|=1<<1;                //使能QE位        
        W25QXX_Write_SR(2,stareg2);    //寫狀態寄存器2
    }
    QSPI_Send_CMD(W25X_EnterQPIMode,0,0,QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);//寫command指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_單線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    W25QXX_QPI_MODE=1;                //標記QSPI模式
}

//W25QXX退出QSPI模式 
void W25QXX_Qspi_Disable(void)
{ 
    QSPI_Send_CMD(W25X_ExitQPIMode,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);//寫command指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    W25QXX_QPI_MODE=0;                //標記SPI模式
}

//讀取W25QXX的狀態寄存器，W25QXX一共有3個狀態寄存器
//狀態寄存器1：
//BIT7  6   5   4   3   2   1   0
//SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
//SPR:默認0,狀態寄存器保護位,配合WP使用
//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH區域寫保護設置
//WEL:寫使能鎖定
//BUSY:忙標記位(1,忙;0,空閑)
//默認:0x00
//狀態寄存器2：
//BIT7  6   5   4   3   2   1   0
//SUS   CMP LB3 LB2 LB1 (R) QE  SRP1
//狀態寄存器3：
//BIT7      6    5    4   3   2   1   0
//HOLD/RST  DRV1 DRV0 (R) (R) WPS ADP ADS
//regno:狀態寄存器號，范:1~3
//返回值:狀態寄存器值
u8 W25QXX_ReadSR(u8 regno)   
{  
    u8 byte=0,command=0; 
    switch(regno)
    {
        case 1:
            command=W25X_ReadStatusReg1;    //讀狀態寄存器1指令
            break;
        case 2:
            command=W25X_ReadStatusReg2;    //讀狀態寄存器2指令
            break;
        case 3:
            command=W25X_ReadStatusReg3;    //讀狀態寄存器3指令
            break;
        default:
            command=W25X_ReadStatusReg1;    
            break;
    }   
    if(W25QXX_QPI_MODE)QSPI_Send_CMD(command,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);    //QPI,寫command指令,地址為0,4線傳數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,1個字節數據
    else QSPI_Send_CMD(command,0,0,QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_1_LINE);                //SPI,寫command指令,地址為0,單線傳數據_8位地址_無地址_單線傳輸指令,無空周期,1個字節數據
    QSPI_Receive(&byte,1);            
    return byte;   
}   

//寫W25QXX狀態寄存器
void W25QXX_Write_SR(u8 regno,u8 sr)   
{   
    u8 command=0;
    switch(regno)
    {
        case 1:
            command=W25X_WriteStatusReg1;    //寫狀態寄存器1指令
            break;
        case 2:
            command=W25X_WriteStatusReg2;    //寫狀態寄存器2指令
            break;
        case 3:
            command=W25X_WriteStatusReg3;    //寫狀態寄存器3指令
            break;
        default:
            command=W25X_WriteStatusReg1;    
            break;
    }   
    if(W25QXX_QPI_MODE)QSPI_Send_CMD(command,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);    //QPI,寫command指令,地址為0,4線傳數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,1個字節數據
    else QSPI_Send_CMD(command,0,0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_1_LINE);                //SPI,寫command指令,地址為0,單線傳數據_8位地址_無地址_單線傳輸指令,無空周期,1個字節數據
    QSPI_Transmit(&sr,1);                       
}  

//W25QXX寫使能    
//將S1寄存器的WEL置位   
void W25QXX_Write_Enable(void)   
{
    if(W25QXX_QPI_MODE)QSPI_Send_CMD(W25X_WriteEnable,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);    //QPI,寫使能指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    else QSPI_Send_CMD(W25X_WriteEnable,0,0,QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);                //SPI,寫使能指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_單線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
} 

//W25QXX寫禁止    
//將WEL清零  
void W25QXX_Write_Disable(void)   
{  
    if(W25QXX_QPI_MODE)QSPI_Send_CMD(W25X_WriteDisable,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);//QPI,寫禁止指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    else QSPI_Send_CMD(W25X_WriteDisable,0,0,QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);                //SPI,寫禁止指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_單線傳輸指令,無空周期,0個字節數據 
} 

//返回值如下:                   
//0XEF13,表示芯片型號為W25Q80  
//0XEF14,表示芯片型號為W25Q16    
//0XEF15,表示芯片型號為W25Q32  
//0XEF16,表示芯片型號為W25Q64 
//0XEF17,表示芯片型號為W25Q128       
//0XEF18,表示芯片型號為W25Q256
u16 W25QXX_ReadID(void)
{
    u8 temp[2];
    u16 deviceid;
    if(W25QXX_QPI_MODE)QSPI_Send_CMD(W25X_ManufactDeviceID,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_4_LINES,QSPI_ADDRESS_24_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);//QPI,讀id,地址為0,4線傳輸數據_24位地址_4線傳輸地址_4線傳輸指令,無空周期,2個字節數據
    else QSPI_Send_CMD(W25X_ManufactDeviceID,0,0,QSPI_INSTRUCTION_1_LINE,QSPI_ADDRESS_1_LINE,QSPI_ADDRESS_24_BITS,QSPI_DATA_1_LINE);            //SPI,讀id,地址為0,單線傳輸數據_24位地址_單線傳輸地址_單線傳輸指令,無空周期,2個字節數據
    QSPI_Receive(temp,2);
    deviceid=(temp[0]<<8)|temp[1];
    return deviceid;
}    

//讀取SPI FLASH,僅支持QPI模式  
//在指定地址開始讀取指定長度的數據
//pBuffer:數據存儲區
//ReadAddr:開始讀取的地址(最大32bit)
//NumByteToRead:要讀取的字節數(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ 
    QSPI_Send_CMD(W25X_FastReadData,ReadAddr,8,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_4_LINES,QSPI_ADDRESS_32_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);    //QPI,快速讀數據,地址為ReadAddr,4線傳輸數據_32位地址_4線傳輸地址_4線傳輸指令,8空周期,NumByteToRead個數據
    QSPI_Receive(pBuffer,NumByteToRead); 
}  

//SPI在一頁(0~65535)內寫入少於256個字節的數據
//在指定地址開始寫入最大256字節的數據
//pBuffer:數據存儲區
//WriteAddr:開始寫入的地址(最大32bit)
//NumByteToWrite:要寫入的字節數(最大256),該數不應該超過該頁的剩余字節數!!!     
void W25QXX_Write_Page(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
    W25QXX_Write_Enable();                    //寫使能
    QSPI_Send_CMD(W25X_PageProgram,WriteAddr,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_4_LINES,QSPI_ADDRESS_32_BITS,QSPI_DATA_4_LINES);    //QPI,頁寫指令,地址為WriteAddr,4線傳輸數據_32位地址_4線傳輸地址_4線傳輸指令,無空周期,NumByteToWrite個數據
    QSPI_Transmit(pBuffer,NumByteToWrite);                       
    W25QXX_Wait_Busy();                       //等待寫入結束
} 

//無檢驗寫SPI FLASH 
//必須確保所寫的地址范圍內的數據全部為0XFF,否則在非0XFF處寫入的數據將失敗!
//具有自動換頁功能 
//在指定地址開始寫入指定長度的數據,但是要確保地址不越界!
//pBuffer:數據存儲區
//WriteAddr:開始寫入的地址(最大32bit)
//NumByteToWrite:要寫入的字節數(最大65535)
//CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{                       
    u16 pageremain;       
    pageremain=256-WriteAddr%256; //單頁剩余的字節數                 
    if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大於256個字節
    while(1)
    {       
        W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);
        if(NumByteToWrite==pageremain)break;//寫入結束了
         else //NumByteToWrite>pageremain
        {
            pBuffer+=pageremain;
            WriteAddr+=pageremain;    

            NumByteToWrite-=pageremain;              //減去已經寫入了的字節數
            if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以寫入256個字節
            else pageremain=NumByteToWrite;       //不夠256個字節了
        }
    }   
} 

//寫SPI FLASH  
//在指定地址開始寫入指定長度的數據
//該函數帶擦除操作!
//pBuffer:數據存儲區
//WriteAddr:開始寫入的地址(最大32bit)                        
//NumByteToWrite:要寫入的字節數(最大65535)   
u8 W25QXX_BUFFER[4096];         
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ 
    u32 secpos;
    u16 secoff;
    u16 secremain;       
     u16 i;    
    u8 * W25QXX_BUF;      
       W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;         
     secpos=WriteAddr/4096;//扇區地址  
    secoff=WriteAddr%4096;//在扇區內的偏移
    secremain=4096-secoff;//扇區剩余空間大小   
     //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//測試用
     if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大於4096個字節
    while(1) 
    {    
        W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//讀出整個扇區的內容
        for(i=0;i<secremain;i++)//校驗數據
        {
            if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除        
        }
        if(i<secremain)//需要擦除
        {
            W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除這個扇區
            for(i=0;i<secremain;i++)       //復制
            {
                W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];      
            }
            W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//寫入整個扇區  

        }else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//寫已經擦除了的,直接寫入扇區剩余區間.                    
        if(NumByteToWrite==secremain)break;//寫入結束了
        else//寫入未結束
        {
            secpos++;//扇區地址增1
            secoff=0;//偏移位置為0      

               pBuffer+=secremain;  //指針偏移
            WriteAddr+=secremain;//寫地址偏移       
               NumByteToWrite-=secremain;                //字節數遞減
            if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;    //下一個扇區還是寫不完
            else secremain=NumByteToWrite;            //下一個扇區可以寫完了
        }     
    };     
}

//擦除整個芯片          
//等待時間超長...
void W25QXX_Erase_Chip(void)   
{                                   
    W25QXX_Write_Enable();                    //SET WEL 
    W25QXX_Wait_Busy();   
    QSPI_Send_CMD(W25X_ChipErase,0,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_NONE,QSPI_ADDRESS_8_BITS,QSPI_DATA_NONE);//QPI,寫全片擦除指令,地址為0,無數據_8位地址_無地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    W25QXX_Wait_Busy();                        //等待芯片擦除結束
} 

//擦除一個扇區
//Dst_Addr:扇區地址 根據實際容量設置
//擦除一個扇區的最少時間:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)   
{  
     
     //printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);            //監視falsh擦除情況,測試用        
     Dst_Addr*=4096;
    W25QXX_Write_Enable();                  //SET WEL      
    W25QXX_Wait_Busy();  
    QSPI_Send_CMD(W25X_SectorErase,Dst_Addr,0,QSPI_INSTRUCTION_4_LINES,QSPI_ADDRESS_4_LINES,QSPI_ADDRESS_32_BITS,QSPI_DATA_NONE);//QPI,寫扇區擦除指令,地址為0,無數據_32位地址_4線傳輸地址_4線傳輸指令,無空周期,0個字節數據
    W25QXX_Wait_Busy();                       //等待擦除完成
}

//等待空閑
void W25QXX_Wait_Busy(void)   
{   
    while((W25QXX_ReadSR(1)&0x01)==0x01);   // 等待BUSY位清空
}