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10. SPI-SPI FLASH¶
够用的硬件 能用的代码 实用的教程 屋脊雀工作室编撰 -20190101 愿景：做一套能用的开源嵌入式驱动（非LINUX） 官网：www.wujique.com github: https://github.com/wujique/stm32f407 淘宝：https://shop316863092.taobao.com/?spm=2013.1.1000126.2.3a8f4e6eb3rBdf 技术支持邮箱：[email protected]、[email protected] 资料下载：https://pan.baidu.com/s/12o0Vh4Tv4z_O8qh49JwLjg QQ群：767214262 前面我们调试了第一条总线——I2C总线，在嵌入式领域还有另外一条常用总线——SPI。 现在我们就来调试SPI 和 SPI FLASH 。 10.1. SPI总线¶SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。 大概资料，百度百科 https://baike.baidu.com/item/SPI%E6%8E%A5%E5%8F%A3/2527392 SPI通常使用4根线连接。 （1）MOSI – 主器件数据输出，从器件数据输入（master out slave in） （2）MISO – 主器件数据输入，从器件数据输出（master in slave out） （3）SCLK –时钟信号，由主器件产生。 （4）NSS – 从器件使能信号，由主器件控制,通常叫CS、片选。 SPI根据时钟极性CPOL与时钟相位CPHA的不同，有4钟工作模式。 SPI使用多个片选管脚就可连接多个从设备。 10.2. STM32 SPI控制器¶在《STM32F4xx中文参考手册.pdf》“27 串行外设接口 (SPI)”章节有详细说明。 STM32的SPI控制器框图如下： SPI控制器 从中可以看出： 1 移位寄存器只有一个，因为接受和发送是同时进行的。发送从右边出去，接收从左边进来。 2 4根引脚，MOSI、MISO、SCK、NSS（CS）SPI的大概工作过程就是： 主设备将对应从设备CS拉低，使能从设备。 主设备输出时钟信号，主设备移位寄存器的数据按BIT从MOSI上输出，从设备收到BIT后，保存到自己的移位寄存器，同时将自己移位寄存器中的数据从MISO上输出，主设备收到后保存在移位寄存器中。 如此循环，8个BIT传输结束，进行读写操作，然后进行下一个字节的传输。 传输结束，将从设备片选拉高，结束。 SPI传输 四种工作模式见参考手册图273。 SPI时钟在《STM32F407_数据手册.pdf》有描述，SPI3最高可以达到21Mbit/s。 SPI最快速度 在表格11中可以看到APB1的时钟最快42M，SPI3就挂载APB1上，为了达到最快的21M，必须使用2分频。 SPI分频前面说到，SPI有4中工作模式，在STM32的参考手册也有说明。 CPOL是时钟极性，如果为1，则是先输出低再输出高。0则相反。 CPHA是时钟相位，如果为1，则是180度。0则是0度。 通俗的说，如果是1，就在时钟的第二个边沿采样。 如果是0，就在时钟的第一个边沿采样。时钟图 从上图也可以看到一个标准的SPI通信时序是怎么样的。 主设备输出时钟，并在MOSI上输出数据。 从设备在MISO上输出数据。 在通信期间，NSS(CS)保持低电平。 10.3. SPI FLASH¶底板使用的SPI FLASH是MX25L3206EZNI-12G 。 我们就通过这个芯片的规格书《MX25L3206E_DS_EN.pdf》学习SPI FLAHS。 从名字通常能看出容量大小，32Mbit/8=4Mbyte，我们通常使用Byte，因此这个芯片只有4M，并不是32M，如果别人跟你说32M的FLASH，要搞清楚单位，很可能是32Mbit。 文档开头会描述性能，软件需要关心的是： （1）工作模式，本芯片支持Mode 0 和Mode3。 （2）1024个sector，每个sector有4K。每个sector都可以单独擦除。 （3）64个BLOCK，每个BLOCK 大小64K，也就是说，一个BLOCK有16个SECTOR。BOLOCK也可以整体擦除。 （4）可以page编程，一个page有256字节。 SPI FLASH特性 之后是PERFORMANCE跟SOFTWARE FEATURES，主要是一些参数特性，例如擦除时间等。一般来说不用太关注。除非系统有要求。 比较影响性能的也就是擦除时间。有些厂家的会比较慢。其实相对CPU速度来说，擦除FLASH是一个很慢的过程。 部分FLASH会有额外性能，例如有OTP区，有加密区等等。 FLASH的组织需要关注一下，特别是在FLASH进行替代的时候，组织模式一定要一样。也就是说BLOCK、SECTOR、PAGE的分布要一致。有些芯片只有前面2个BLOCK可以页操作，后续的只能sector操作。 SPI flash组织 之后需要认真关注的是命令。命令就是操作FLASH时主机发给FLASH的指令。如何使用后面会说明。 SPI flash命令 时序分析 前面几个是SPI时序，一般不看，遇到问题挂示波器才会对比一下。 SPI falsh时序章节 但是到后面就是命令流程了，也就是说明命令如何使用，FLASH如何操作，本处挑两个说说 SPI falsh读状态 上图是读FLASH 的状态，操作过程就是： 主机拉低CS信号，使能FLASH。 主机将命令05发送给FLASH，这时候SO属于高阻状态，说明FLASH是不回数据的，主机也不需要FLASH回。主机会读到一个0XFF。 主机继续发送时钟，但是SI线上发送什么数据无所谓，通常我们发送0XFF。此时FLASH就会回数据给主机了。SPI falsh写状态 上图是写状态的，大家应该能看懂了，整个过程FLASH没有在SO线上返回数据。 SPI falsh读数据 上图是读数据，与读状态不同的是，CPU要多发送24bit地址。 在FLASH的规格书中，图29说明了如何编程和擦除，其实也就是前面命令时序的组合。 SPI falsh擦除流程 规格书最后就是一些性能参数，封装等信息了。基本与编程无关。 除了以上特性之外，所有FLASH都共一个特性： FLASH上用于存储数据的每一个BIT，只能由1改写为0。 例如原来FLASH上某个BYTE=0xff，可以将其改写为0x00-0xff的任何值。如果某个BYTE=0x0f，就只能修改为0x00-0x0f之间的值。 擦除可以将一个page、sector、block一次性全部改写为0XFF。 因此，通常在写之前都会进行读出flash、改写数据、擦除flash、写回flash，一共四步操作。完整的流程比较消耗时间。根据特性可以进行优化，例如，知道数据是0XFF，就可以直接改写。 每次操作FLASH，都是先发一个命令，再进行数据通信。在发命令前，要有一个CS的下降沿。 10.4. 原理图¶屋脊雀F407硬件在底板和核心板上，各配置了一片SPI FLASH。 底板配置的是MX25L3206EM2I，底板的电路在SPI信号上进行了阻容滤波处理。 底板SPIFLASH原理图 核心板配置的是W25Q64FVSI(或JVSI)，核心板FLASH离CPU较近，没有加阻容滤波处理，这样也能减少空间，毕竟核心板器件还是比较密集。 核心板SPIFLASH原理图 这两个SPI FLASH都是接在SPI3控制器上，SPI3控制器还是外扩接口的SPI控制器，也即是说，一个SPI上可能接有3个设备或更多。 为什么要配置两片SPI FALSH？当然不是堆硬件，是为了模拟一个情景：多个SPI总线上挂载多个器件，如果你写的SPI跟SPI FLASH驱动不能适应这样的场景，我觉得不是一个好程序。我们提供的源码，就是要处理这种情况。 10.5. 驱动设计¶需要设计两个驱动，一个是cpu上的SPI控制器的驱动；另外一个则是板上外设FLASH的驱动。 分别命名为mcu_spi和dev_flash。具体代码见例程。 在做驱动前我们要认识以下概念： SPI 控制器：STM32上的SPI3就是一个控制器。在程序中就是一些参数或者寄存器。 SPI驱动：为了用SPI3，我们会写一段代码，这段代码就是SPI驱动。 spi驱动是为了配套SPI控制器，在STM32中有多个SPI控制器，SPI驱动有几套？ SPI FLASH设备：设备就是实物，我们的硬件有两个SPI FLASH设备。 SPI FLASH驱动：我们写的代码，操作(读写)FLASH的代码，就是驱动。 我们有两个FLASH设备，写几个驱动？ 10.5.1. SPI驱动要怎么设计¶ SPI能干什么。SPI属于全双工总线。 发送时钟信号，在发送数据的同时会收到数据。这个特性反映在SPI驱动上就是 发送出去一个字节，就会收到一个字节。 接收一个字节，就需要发送一个字节。 因此我们认为，SPI_WRITE或者SPI_READ这样单独读写的接口不符合SPI特性SPI可以运行在不同的频率和模式。 SPI的CS可以控制。 用SPI的程序想要SPI干什么？我们可能用SPI控制LCD，SPI FLASH，RF24L01等设备。 对于这些设备，有只写操作的，也有读写都要操作的。 对于CS管脚，在占用SPI控制器时，有可能要变化电平，例如SPI FALSH，在发送命令时就需要一个CS下降沿。 SPI驱动和SPI设备的关系在我们的硬件上，只用一个SPI控制器SPI3，配合3根CS线。一套SPI驱动如何控制三个设备呢？ 千万不要将CS的控制放到SPI FALSH驱动中。CS属于SPI控制器的一部分。 如果不将CS控制和SPI控制器绑定，配合多个CS时，编写代码很容易造成SPI控制器冲突。要控制多个SPI设备，在接口传入一个参数表明操作哪个接口即可。 因此接口我们设置如下： s32 mcu_spi_init(void); s32 mcu_spi_open(SPI_DEV dev, SPI_MODE mode, u16 pre); s32 mcu_spi_close(SPI_DEV dev); s32 mcu_spi_transfer(SPI_DEV dev, u8 *snd, u8 *rsv, s32 len); s32 mcu_spi_cs(SPI_DEV dev, u8 sta); 从上到下分别是：初始化，打开（占用），关闭（释放），传输，CS控制。我们看看初始化代码 s32 mcu_spi_init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct; //初始化片选，系统暂时设定为3个SPI，全部使用SPI3 //DEV_SPI_3_1, 核心板上的SPI FLASH RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14); //DEV_SPI_3_2, 底板的SPI FLASH RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_15); //DEV_SPI_3_3, 核心板外扩SPI GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6); RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;//---PB3~5 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//---复用功能 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//---推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//---100MHz GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//---上拉 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//---初始化 //配置引脚复用映射 GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_SPI3); //PB3 复用为 SPI3 GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource4, GPIO_AF_SPI3); //PB4 复用为 SPI3 GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_SPI3); //PB5 复用为 SPI3 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI3, ENABLE);// ---使能 SPI3 时钟 // 复位SPI模块 SPI_I2S_DeInit(SPI_DEVICE); SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//---双线双向全双工 SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//---主模式 SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//---8bit帧结构 SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//----串行同步时钟的空闲状态为低电平 SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//---数据捕获于第1个时钟沿 SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //---SPI_NSS_Hard; 片选由硬件管理，SPI控制器不管理 SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; //---预分频 SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//---数据传输从 MSB 位开始 SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = 7;//---CRC 值计算的多项式 SPI_Init(SPI_DEVICE, &SPI_InitStruct); //SPI_SSOutputCmd(SPI_DEVICE, DISABLE); DevSpi3Gd = -1; return 0; } 6~30行，初始化使用SPI3控制器的3个SPI接口的CS脚，初始化为输出，并且输出高电平。 34~44，初始化SPI控制器3个引脚，也就是把IO配置为AF功能，并且配置为SPI3的AF功能。 46，打开SPI时钟。 48，复位SPI3控制器。 50~60，配置SPI3控制器，每个配置什么意思在代码注释都说明了。根据硬件定义3个SPI设备号，3个SPI都使用SPI3控制器 typedef enum{ DEV_SPI_NULL = 0, DEV_SPI_3_1 = 0X31,//核心板上的SPI使用SPI3，定义为SPI_3_1 DEV_SPI_3_2, //底板板上的SPI使用SPI3，定义为SPI_3_2 DEV_SPI_3_3, //外扩的SPI定义为SPI_3_3 }SPI_DEV;传输是最关键函数 看代码，入口参数3个： snd和rsv是指针，发送数据从snd取，接收到的数据保存到rsv； len是数据长度。 snd或者rsv其中一个可以为NULL，但是不能全部为0， 如果rsv为NULL，则意味着只是想发送数据，接收到的数据丢弃； 如果snd为空，则意味着只想接收数据，函数会默认发送0XFF： 实际应用中，有外设是不允许默认发送0XFF的，例如触摸控制芯片XPT2046， 如果在读数据时发送0XFF，会立刻启动XTP2046AD转换，造成读到的触摸参数错乱。 最新的SPI通信代码请从GIT上提取（上面的代码会持续更新） s32 mcu_spi_transfer(u8 *snd, u8 *rsv, s32 len) { s32 i = 0; s32 pos = 0; u32 time_out = 0; u16 ch; if( ((snd == NULL) && (rsv == NULL)) || (len < 0) ) { return -1; } /* 忙等待 */ time_out = 0; while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_DEVICE, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET) { if(time_out++ > MCU_SPI_WAIT_TIMEOUT) { return(-1); } } /* 清空SPI缓冲数据，防止读到上次传输遗留的数据 */ time_out = 0; while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_DEVICE, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == SET) { SPI_I2S_ReceiveData(SPI_DEVICE); if(time_out++ > 2) { return(-1); } } /* 开始传输 */ for(i=0; i < len; ) { // 写数据 if(snd == NULL)/*发送指针为NULL，说明仅仅是读数据 */ { //uart_printf("--1--"); SPI_I2S_SendData(SPI_DEVICE, 0xff); } else { ch = (u16)snd[i]; SPI_I2S_SendData(SPI_DEVICE, ch); //uart_printf("s%02x ", ch); } i++; // 等待接收结束 time_out = 0; while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_DEVICE, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) { time_out++; if(time_out > MCU_SPI_WAIT_TIMEOUT) { return -1; } } // 读数据 if(rsv == NULL)/* 接收指针为空，读数据后丢弃 */ { //uart_printf("--2--"); SPI_I2S_ReceiveData(SPI_DEVICE); } else { ch = SPI_I2S_ReceiveData(SPI_DEVICE); rsv[pos] = (u8)ch; //uart_printf("r%02x ", ch); } pos++; } return i; } 13到21，等待SPI控制器不忙。 23-32，读走SPI控制器里面的缓存数据。 进入FOR循环开始传输。 判断输入参数snd，如果为空（0），就说明只是想读数据，没数据发送。那么我们就自作主张，发送一个0XFF过去。 发送的同时，控制器就在接收数据了，53到60行等待接收完毕。 62行开始是接收数据，如果接收缓冲为空(0)，我们就仅仅将数据读出来丢弃掉。 10.5.2. SPI FALSH驱动¶SPI 驱动编写要考虑两方面： SPI FLASH的功能实现。 SPI FALSH驱动架构。 10.5.2.1. 1. 功能¶FLASH功能包括，擦除，读，写，芯片ID等。 其中各操作还分page，sector，BLOCK,chip； 例如擦，可以擦1个sector，也可以擦1个BLOCK，或者是整片擦除。 读就没有要求，可以从任何地址读。 写也没有要求，可以从任何地址写。 但是为了方便APP使用，特别是文件系统，我们会封装sector擦、读、写函数。 10.5.2.2. 2. 架构¶设计SPI FLASH架构前要考虑的问题是： 多个FLASH挂在多个SPI上。我们的硬件就是两片FLASH挂在两个SPI接口上（同一个硬件SPI控制器）。 FALSH型号自动识别，就算硬件更换了Flash，驱动也不需要修改。最终的SPI FLASH驱动可以做到，一套SPI FLASH驱动，可以处理多个挂在不同SPI上的不同flash芯片。 要实现这个目标，主要要实现下面3个小目标： 驱动就是一个软件模块。 对上提供操作接口。 对下要求提供挂参数：哪个SPI？什么芯片？因此我们设计驱动如下： 接口 extern s32 dev_spiflash_readmorebyte(DevSpiFlash *dev, u32 addr, u8 *dst, u32 len); extern s32 dev_spiflash_write(DevSpiFlash *dev, u8* pbuffer, u32 addr, u16 wlen); extern s32 dev_spiflash_sector_erase(DevSpiFlash *dev, u32 sector_addr); extern s32 dev_spiflash_sector_read(DevSpiFlash *dev, u32 sector, u8 *dst); extern s32 dev_spiflash_sector_write(DevSpiFlash *dev, u32 sector, u8 *src); extern s32 dev_spiflash_init(void); extern s32 dev_spiflash_open(DevSpiFlash *dev, char* name); extern s32 dev_spiflash_test(void);各接口功能，看名称就知道啥意思了。 芯片参数定义 /*SPI FLASH 信息*/ typedef struct { char *name; u32 JID; u32 MID; /*容量，块数，块大小等信息*/ u32 sectornum;//总块数 u32 sector;//块大小 u32 structure;//总容量 }_strSpiFlash; /* 常用的SPI FLASH 参数信息 */ _strSpiFlash SpiFlashPraList[]= { {"MX25L3206E", 0XC22016, 0XC215, 1024, 4096, 4194304}, {"W25Q64JVSI", 0Xef4017, 0Xef16, 2048, 4096, 8388608} };对于各种芯片，抽象定义一个结构体，结构体成员包含了芯片信息。 然后定义一个列表数组，表明当前支持的芯片型号。当前我们只做了两个型号。 大家可以自己丰富这个表格。 设备树定义 /*SPI FLASH设备定义*/ typedef struct { char *name;//设备名称 SPI_DEV spi;//挂载在哪条SPI总线 _strSpiFlash *pra;//设备信息 }DevSpiFlash; /* 设备树定义 */ #define DEV_SPI_FLASH_C 2//总共有两片SPI FLASH DevSpiFlash DevSpiFlashList[DEV_SPI_FLASH_C]= { /*有一个叫做board_spiflash的SPI FLASH挂在DEV_SPI_3_2上，型号未知*/ {"board_spiflash", DEV_SPI_3_2, NULL}, /*有一个叫做board_spiflash的SPI FLASH挂在DEV_SPI_3_1上，型号未知*/ {"core_spiflash", DEV_SPI_3_1, NULL}, };设备树的意义就是告诉驱动，什么东西挂在什么地方。这样驱动就可以跟硬件剥离，也就能兼容更多硬件。 具体驱动设计请看源码，后续会对文档进行更详细更新 我们抽一个SPI FLASH驱动函数分析。 /** *@brief: dev_spiflash_readJTD *@details: 读FLASH JTD号 *@param[in] void *@param[out] 无 *@retval: */ static u32 dev_spiflash_readJTD(DevSpiFlash *dev) { u32 JID; s32 len = 1; u8 command = SPIFLASH_RDJID; u8 data[3]; mcu_spi_cs(dev->spi, 0); len = 1; mcu_spi_transfer(dev->spi, &command, NULL, len); len = 3; mcu_spi_transfer(dev->spi, NULL, data, len); mcu_spi_cs(dev->spi, 1); JID = data[0]; JID = (JID |
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