如何通过SPI的方式实现对外部flash的读与写？

前言
前面的博客描述了如何读写flash，可能还对读写flash思路还是不是那么的清晰，首先我们用的是外置的flash，就要模拟跟外部硬件通讯的时序，这样外部硬件才能识别主控侧发出的信号是什么！
SPI是全双工，同步的时钟总线！
目的

通过SPI的方式，实现对外部flash(W25Q128)的读与写，写入的内容读出后在TFTLCD上显示出来。SPI方式可以控制FLASH,EEPROM,虽然前面的博客时使用IIC来控制EEPROM(24c02)，其实是一个结果，用不同的方式实现功能。
原理

我们来简单看一下内部的构造图：





从内部简明图可以看出，主机smart和从机slave都有一个串行移位寄存器，主机通过向他的SPI串行移位寄存器写入数据进行发起数据传输，此寄存器通过MOSI将数据（1BYTE）传输给从机，此时，从机通过自己的移位寄存器将其中的内容（1BYTE）移出来发送给主机，这样就实现了，两个移位寄存器中内容的交换。
所以外设的写操作和读操作是也就是这样被完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
SPI 接口一般使用 4 条线通信：
MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK 时钟信号，由主设备产生。
CS 从设备片选信号，由主设备控制。
通信时钟极性与相位
SPI 总线四线工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
对比

和IIC对比，两者都是相似的配置方式
不同点：
IIC：需要模拟真实的硬件时序，数据接收，数据发送的每一个时序需要自己从底层函数构造起来
SPI:不需要构造最基础的单个字节数据发送与接收函数，可以直接调用库函数
相同点：
初始化结束，构造出能够发送与接受（单个字节）函数，作为调用的接口，在构造能够写入指定的地址，数据，长度等等，都是通过发送和接收函数完成的。
从IIC读写24c02(eeprom)到SPI读写falsh（w25q128），都是先构造使用此方式实现器件的读写基础函数，适用于大多数使用此原理进行通信的外部硬件，再根据具体的外部硬件属性，构造出来真正可以与外部器件通信的函数，如果读者没有发现，就需要大家自己要对自己的代码进行总结，为何要分模块编写我们的器件?
硬件连接











PB12控制flash的片选，PB13控制时钟频率，MISO控制数据接收，MOSI控制数据的输出。所以13，114，15可以配置为推挽输出，且是复用的，12设置成一般的推挽输出就可以。

基础函数
1.使用SPI方式操作外部器件的初始化
1).GPIO初始化函数：


void spi_init(void)
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_Initstructure;
        SPI_InitTypeDef  SPI_Initstructure;
       
        RCC_APB1PeriphClockCmd(        RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE );
        RCC_APB2PeriphClockCmd(        RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );
        GPIO_Initstructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
        GPIO_Initstructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;
        GPIO_Initstructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initstructure);
        GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);
        SPI_Initstructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_256;
        SPI_Initstructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_2Edge;
        SPI_Initstructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_High;
        SPI_Initstructure.SPI_CRCPolynomial=
        SPI_Initstructure.SPI_DataSize=7;
        SPI_Initstructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
        SPI_Initstructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;
        SPI_Initstructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;               
        SPI_Initstructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;       
  SPI_Init(SPI2, &SPI_Initstructure);
  SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
        write_read(0xff);
}


观察仔细的可能已经发现，上面GPIO初始化少了PB12，为什么这里初始化上呢？因为这个IO口控制两个外设，我们的 F_CS 是连接在 PB12 上面的，W25Q128 和 NRF24L01 共 用 SPI2，所以这两个器件在使用的时候，必须分时复用（通过片选控制）才行。我们的这个IO口的初始化就放在具体操作的外设初始化内。
2).对flash的读写1BYTE函数


uint8_t write_read(uint8_t TXDATA)
{
        uint8_t i;
        while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
        {
                i++;
                if(i>200)return 0;
        }
  SPI_I2S_SendData(SPI2, TXDATA);
        i=0;
        while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
        {
                i++;
                if(i>200)return 0;
               
        }
                return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2) ;                    
}


根据寄存器标志位判断移位寄存器的状态，参数是要写入的值，return是读到的值，SPI_I2S_SendData(SPI2, TXDATA);和SPI_I2S_ReceiveData(SPI2) ;都是库函数可以调用的，不需要像IIC那样构造时许函数！
3).SPI速度设置
根据预分频值，通过你位操作实现对SPI速率的设置


void SPI2_SetSpeed(uint8_t SPI_BaudRatePrescaler)
{
  assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));
        SPI2->CR1&=0XFFC7;
        SPI2->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;       
        SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);
}


2.基于SPI基础函数，搭建属于W25Q128器件的基础通信函数
1）GPIO初始化函数


void W25Q128_init()
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        RCC_APB2PeriphClockCmd(        RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );


        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;  
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
        GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
        W25QX_CS=1;
        spi_init();//引用SPI初始化函数
        SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2);//SPI速率函数调用
        version=read_IC_ID();//版本读写函数
}


2）都状态寄存器值函数
我们读出来的是一个八位的二进制数据，如下对应，


//BIT      7       6     5     4     3      2       1       0
           SPR     RV    TB   BP2   BP1    BP0     WEL    BUSY
       状态保护位 TB,BP2,BP1,BP0:FLASH的区域写保护设置，WEL写使能锁定，BUSY忙标记位


uint8_t read_rs(void)
{
        uint8_t status;
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x05);
        status=write_read(0xff);
        W25QX_CS=1;
        return status;
}


3）写（修改）状态寄存器值函数
注意：此函数0，1，6位不可修改


void write_rs(uint8_t data)
{
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x01);
        write_read(data);
        W25QX_CS=1;
}


4）写使能函数
操作WEL位，将其置位


void write_en(void)
{
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x06);
        W25QX_CS=1;
}


5）发送禁止写数据命令
也是操作WEL位，将其清零


void write_disEN(void)
{
         W25QX_CS=0;
        write_read(0x04);
        W25QX_CS=1;
       
}


6）发送读取器件ID命令


uint16_t read_IC_ID(void)
{
        uint16_t temp=0;
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x90);
        write_read(0x00);
        write_read(0x00);
        write_read(0x00);
        temp|=write_read(0xff)<<8;
        temp|=write_read(0xff);
        W25QX_CS=1;
        return temp;
}


7）从指定地址，读取指定长度的数据


void read_len_data(uint32_t addr,uint16_t len,uint8_t *buff)
{
        uint16_t i;
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x03);
        write_read((addr>>16)&0xff);
        write_read((addr>>8)&0xff);
        write_read(addr&0xff);
        for(i=0;i         {
                *(buff+i)=write_read(0xff);
        }
        W25QX_CS=1;
}


8)等待BUSY位清空（不忙）


void wait_write_end(void)
{
        while((read_rs()&0x01)==0x01);
}


9）写一页（小于256字节）数据函数


void write_len_page(uint32_t addr,uint16_t len,uint8_t *data)
{
        uint16_t i;
        write_en();
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x02);//·¢ËÍдҳµØÖ·ÃüÁî
        write_read((addr>>16)&0xff);
        write_read((addr>>8)&0xff);
        write_read(addr&0xff);
        for(i=0;i         write_read(*(data+i));
        W25QX_CS=1;
        wait_write_end();
}


10）擦除一个扇区（此flash的datasheet一扇区为4K），也是最小擦除单位


void erase_sector(uint32_t addr)
{
        addr*=4096;
        write_en();
        wait_write_end();
        W25QX_CS=0;
        write_read(0x20);
        write_read((addr>>16)&0xff);
        write_read((addr>>8)&0xff);
        write_read(addr&0xff);
        W25QX_CS=1;
        wait_write_end();
}


11）擦除整个falsh芯片


void erase_whole_sector(void)
{
        write_en();
        wait_write_end();
        W25QX_CS=0;
        write_read(0xC7);
        W25QX_CS=1;
        wait_write_end();
}


12）要写入数据的区域都是0xff条件下，写入小于65535个字节函数


void write_len_nocheck(uint32_t addr,uint16_t len,uint8_t *data)
{
        uint16_t surplus;
        surplus=256-len%256;
        if(surplus>=len)surplus=len;
        while(1)
        {
                write_len_page(addr,surplus,data);
                if(surplus==len)
                        break;
                else
                {
                        addr+=surplus;
                        len-=surplus;
                        data+=surplus;
                        if(len<=256)
                        {
                                surplus=len;
                        }
                        else
                                surplus=256;
                }
        }
}


13）在写入数据前，不管是否有擦除要写入数据的flash的基础函数，再写入的过程中要判断是否是可写入的


void write_len_check(uint32_t addr,uint16_t len,uint8_t *data)
{
        uint32_t sector;
        uint16_t pag;
        uint8_t *buf;
        uint16_t purplu;
        uint16_t number;
        uint16_t i;
        sector=addr/4096;
        pag=addr%4096;
        purplu=4096-pag;
        buf=buff;
        if(purplu>=len)
        {
                purplu=len;
        }
  while(1)
        {
                read_len_data(sector*4096,4096,buf);
                for(number=0;number                 {
                           if(buf[pag+number]!=0xff)
             break;                                         
                }
                if(number                 {
                        erase_sector(sector);
                        for(i=0;i                         {
                                buf[pag+i]=*(data+i);
                        }
                        write_len_nocheck(sector*4096,4096,buf);
                }
                else
                {
                        write_len_nocheck(addr,purplu,data);
                }
                if(len==purplu)
                        break;
                else
                {
                        sector++;
                        pag=0;
                        len-=purplu;
                        addr+=purplu;
                        data+=purplu;
                        if(len<=4096)purplu=len;
                        else
                                purplu=4096;
                }
        }
}


此是stm32开发板测falsh是16MB，分为256块，每块大小为64K，每块分为16扇区，每个扇区4K，每个扇区又分为16页，每页为256字节，这也就是上面的函数为什么写入超过256字节时要经过处理


主函数mian
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "lcd.h"
#include "usart.h"
#include "W25Q128.h"
const u8 TEXT_Buffer[]={" STM32 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
extern         uint8_t buff[4096];
int main(void)
{         
        uint8_t x=0;
         uint8_t key;
         uint8_t datatemp[SIZE];
         uint32_t FLASH_SIZE;
        delay_init();                   
        uart_init(115200);                
        LED_Init();                             
        LCD_Init();
         KEY_Init();       
        W25Q128_init();
         while(read_IC_ID()!=0xEF17)       
        {
                LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"W25Q128 Check Failed!");
                delay_ms(500);
                LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Please Check!        ");
                delay_ms(500);
                LED0=!LED0;
        }
          while(1)
        {                 
                key=KEY_Scan(0);
                if(key==KEY1_PRES)
                {
                        LCD_Fill(0,170,239,319,WHITE);
                        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Write W25Q128....");        
                        write_len_check(FLASH_SIZE-100,SIZE,(u8*)TEXT_Buffer);
                        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"W25Q128 Write Finished!");
                       
                }
                if(key==KEY0_PRES)
                {
                        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Start Read W25Q128.... ");                               
                        read_len_data(FLASH_SIZE-100,SIZE,datatemp);
                        LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"The Data Readed Is:  ");       
                        LCD_ShowString(30,190,200,16,16,datatemp);
                }
        }
}


实验现象

通过先按KEY1 按键写入数据，然后按 KEY0 读取数据，显示屏上显示结果，写入的数据可以自行修改！
流程总结

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。
从代码可以看出，我们在SPI函数的基础之上，是以256字节的单位（页）大小区域上进行写操作的（读操作比较简单就不陈述），超过256的我们需要构造函数，使得地址加256，继续进行写操作，如果写的数据超过了一个扇区（4K），需要对超过扇区的地址数据进行累加，利用扇区偏移，来操作扇区级别的数据写入！这两个数据处理关键点需要我们抓住，这样就能构造出在64M（1块）内进行数据的连续写操作。
其他

通过按键控制数据的写入与读出，TFTLCD显示结果，调用前面我的博客的头文件及初始化函数即可，
基础的函数当然还有，都是一个原理，器件的参数，属性都需要参照器件的datasheet，虽然有些许器件原理和大小都是相同的，也不排除例外，还是建议去参照数据手册收再编写程序