本篇详细的记录了如何使用STM32CubeMX配置STM32L431RCT6的硬件QSPI外设与 SPI Flash 通信（W25Q64）。
1. 准备工作
硬件准备
- 开发板
首先需要准备一个开发板，这里我准备的是STM32L4的开发板（BearPi）：
- SPI Flash
小熊派开发板板载一片SPI Flash，型号为W25Q64，大小为 8 MB，最大支持 80 Mhz的操作频率。
软件准备
- 需要安装好Keil - MDK及芯片对应的包，以便编译和下载生成的代码；
Keil MDK和串口助手的安装包都可以关注“小熊派开源社区”微信公众号，在资料教程一栏中可获取安装包。
2.生成MDK工程
选择芯片型号
打开STM32CubeMX，打开MCU选择器：
搜索并选中芯片STM32L431RCT6:
配置时钟源
- 如果选择使用外部高速时钟（HSE），则需要在System Core中配置RCC；
- 如果使用默认内部时钟（HSI），这一步可以略过；
这里我都使用外部时钟：
配置串口
小熊派开发板板载ST-Link并且虚拟了一个串口，原理图如下：
这里我将开关拨到AT-MCU模式，使PC的串口与USART1之间连接。
接下来开始配置USART1：
配置QSPI接口
首先查看小熊派开发板上 SPI Flash 的原理图：
其引脚连接情况如下：
| SPI Flash连接引脚 | 对应引脚 |
|---|---|
| QUADSPI_BK1_NCS | PB11 |
| QUADSPI_BK1_CLK | PB10 |
| QUADSPI_BK1_IO0 | PB1 |
| QUADSPI_BK1_IO1 | PB0 |
接下来配置 QSPI 接口：
配置时钟树
STM32L4的最高主频到80M，所以配置PLL，最后使HCLK = 80Mhz即可：
生成工程设置
代码生成设置
最后设置生成独立的初始化文件：
生成代码
点击GENERATE CODE即可生成MDK-V5工程：
3. 在MDK中编写、编译、下载用户代码
重定向printf( )函数
4. 封装 SPI Flash（W25Q64）的命令和底层函数
MCU 通过向 SPI Flash 发送各种命令 来读写 SPI Flash内部的寄存器，所以这种裸机驱动，首先要先宏定义出需要使用的命令，然后利用 HAL 库提供的库函数，封装出三个底层函数，便于移植：
- 向 SPI Flash 发送命令的函数
- 向 SPI Flash 发送数据的函数
- 从 SPI Flash 接收数据的函数
接下来开始编写代码~
宏定义操作命令
#define ManufactDeviceID_CMD 0x90
#define READ_STATU_REGISTER_1 0x05
#define READ_STATU_REGISTER_2 0x35
#define READ_DATA_CMD 0x03
#define WRITE_ENABLE_CMD 0x06
#define WRITE_DISABLE_CMD 0x04
#define SECTOR_ERASE_CMD 0x20
#define CHIP_ERASE_CMD 0xc7
#define PAGE_PROGRAM_CMD 0x02
封装发送命令的函数（重点）
/**
* @brief 向SPI Flash发送指令
* @param instruction —— 要发送的指令
* @param address —— 要发送的地址
* @param dummyCycles —— 空指令周期数
* @param instructionMode —— 指令发送模式
* @param addressMode —— 地址发送模式
* @param addressSize —— 地址大小
* @param dataMode —— 数据发送模式
* @retval 成功返回HAL_OK
*/
HAL_StatusTypeDef QSPI_Send_Command(uint32_t instruction,
uint32_t address,
uint32_t dummyCycles,
uint32_t instructionMode,
uint32_t addressMode,
uint32_t addressSize,
uint32_t dataMode)
{
QSPI_CommandTypeDef cmd;
cmd.Instruction = instruction; //指令
cmd.Address = address; //地址
cmd.DummyCycles = dummyCycles; //设置空指令周期数
cmd.InstructionMode = instructionMode; //指令模式
cmd.AddressMode = addressMode; //地址模式
cmd.AddressSize = addressSize; //地址长度
cmd.DataMode = dataMode; //数据模式
cmd.SIOOMode = QSPI_SIOO_INST_EVERY_CMD; //每次都发送指令
cmd.AlternateByteMode = QSPI_ALTERNATE_BYTES_NONE; //无交替字节
cmd.DdrMode = QSPI_DDR_MODE_DISABLE; //关闭DDR模式
cmd.DdrHoldHalfCycle = QSPI_DDR_HHC_ANALOG_DELAY;
return HAL_QSPI_Command(&hqspi, &cmd, 5000);
}
封装发送数据的函数
/**
* @brief QSPI发送指定长度的数据
* @param buf —— 发送数据缓冲区首地址
* @param size —— 要发送数据的字节数
* @retval 成功返回HAL_OK
*/
HAL_StatusTypeDef QSPI_Transmit(uint8_t* send_buf, uint32_t size)
{
hqspi.Instance->DLR = size - 1; //配置数据长度
return HAL_QSPI_Transmit(&hqspi, send_buf, 5000); //接收数据
}
封装接收数据的函数
/**
* @brief QSPI接收指定长度的数据
* @param buf —— 接收数据缓冲区首地址
* @param size —— 要接收数据的字节数
* @retval 成功返回HAL_OK
*/
HAL_StatusTypeDef QSPI_Receive(uint8_t* recv_buf, uint32_t size)
{
hqspi.Instance->DLR = size - 1; //配置数据长度
return HAL_QSPI_Receive(&hqspi, recv_buf, 5000); //接收数据
}
5. 编写W25Q64的驱动程序
接下来开始利用上一节封装的宏定义和底层函数，编写W25Q64的驱动程序：
读取Manufacture ID和Device ID
读取 Flash 内部这两个ID有两个作用：
- 检测SPI Flash是否存在
- 可以根据ID判断Flash具体型号
数据手册上给出的操作时序如图：
根据该时序，编写代码如下：
/**
* @brief 读取Flash内部的ID
* @param none
* @retval 成功返回device_id
*/
uint16_t W25QXX_ReadID(void)
{
uint8_t recv_buf[2] = {0}; //recv_buf[0]存放Manufacture ID, recv_buf[1]存放Device ID
uint16_t device_id = 0;
if(HAL_OK == QSPI_Send_Command(ManufactDeviceID_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE))
{
//读取ID
if(HAL_OK == QSPI_Receive(recv_buf, 2))
{
device_id = (recv_buf[0] << 8) | recv_buf[1];
return device_id;
}
else
{
return 0;
}
}
else
{
return 0;
}
}
读取数据
SPI Flash读取数据可以任意地址（地址长度32bit）读任意长度数据（最大 65535 Byte），没有任何限制，数据手册给出的时序如下：
根据该时序图编写代码如下：
/**
* @brief 读取SPI FLASH数据
* @param dat_buffer —— 数据存储区
* @param start_read_addr —— 开始读取的地址(最大32bit)
* @param byte_to_read —— 要读取的字节数(最大65535)
* @retval none
*/
void W25QXX_Read(uint8_t* dat_buffer, uint32_t start_read_addr, uint16_t byte_to_read)
{
QSPI_Send_Command(READ_DATA_CMD, start_read_addr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);
QSPI_Receive(dat_buffer, byte_to_read);
}
读取状态寄存器数据并判断Flash是否忙碌
上文中提到，SPI Flash的所有操作都是靠发送命令完成的，但是 Flash 接收到命令后，需要一段时间去执行该操作，这段时间内 Flash 处于“忙”状态，MCU 发送的命令无效，不能执行，在 Flash 内部有2-3个状态寄存器，指示出 Flash 当前的状态，有趣的一点是：
当 Flash 内部在执行命令时，不能再执行 MCU 发来的命令，但是 MCU 可以一直读取状态寄存器，这下就很好办了，MCU可以一直读取，然后判断Flash是否忙完：
首先读取状态寄存器的代码如下：
/**
* @brief 读取W25QXX的状态寄存器，W25Q64一共有2个状态寄存器
* @param reg —— 状态寄存器编号(1~2)
* @retval 状态寄存器的值
*/
uint8_t W25QXX_ReadSR(uint8_t reg)
{
uint8_t cmd = 0, result = 0;
switch(reg)
{
case 1:
/* 读取状态寄存器1的值 */
cmd = READ_STATU_REGISTER_1;
case 2:
cmd = READ_STATU_REGISTER_2;
case 0:
default:
cmd = READ_STATU_REGISTER_1;
}
QSPI_Send_Command(cmd, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);
QSPI_Receive(&result, 1);
return result;
}
然后编写阻塞判断Flash是否忙碌的函数：
/**
* @brief 阻塞等待Flash处于空闲状态
* @param none
* @retval none
*/
void W25QXX_Wait_Busy(void)
{
while((W25QXX_ReadSR(1) & 0x01) == 0x01); // 等待BUSY位清空
}
写使能/禁止
Flash 芯片默认禁止写数据，所以在向 Flash 写数据之前，必须发送命令开启写使能，数据手册中给出的时序如下：
编写函数如下：
/**
* @brief W25QXX写使能,将S1寄存器的WEL置位
* @param none
* @retval
*/
void W25QXX_Write_Enable(void)
{
QSPI_Send_Command(WRITE_ENABLE_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_8_BITS, QSPI_DATA_NONE);
W25QXX_Wait_Busy();
}
/**
* @brief W25QXX写禁止,将WEL清零
* @param none
* @retval none
*/
void W25QXX_Write_Disable(void)
{
QSPI_Send_Command(WRITE_DISABLE_CMD, 0, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_NONE, QSPI_ADDRESS_8_BITS, QSPI_DATA_NONE);
W25QXX_Wait_Busy();
}
擦除扇区
SPI Flash有个特性：
数据位可以由1变为0，但是不能由0变为1。
所以在向 Flash 写数据之前，必须要先进行擦除操作，并且 Flash 最小只能擦除一个扇区，擦除之后该扇区所有的数据变为 0xFF（即全为1），数据手册中给出的时序如下：
根据此时序编写函数如下：
/**
* @brief W25QXX擦除一个扇区
* @param sector_addr —— 扇区地址 根据实际容量设置
* @retval none
* @note 阻塞操作
*/
void W25QXX_Erase_Sector(uint32_t sector_addr)
{
sector_addr *= 4096; //每个块有16个扇区，每个扇区的大小是4KB，需要换算为实际地址
W25QXX_Write_Enable(); //擦除操作即写入0xFF，需要开启写使能
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写使能完成
QSPI_Send_Command(SECTOR_ERASE_CMD, sector_addr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_NONE);
W25QXX_Wait_Busy(); //等待扇区擦除完成
}
页写入操作
向 Flash 芯片写数据的时候，因为 Flash 内部的构造，可以按页写入：
页写入的时序如图：
编写代码如下：
/**
* @brief 页写入操作
* @param dat —— 要写入的数据缓冲区首地址
* @param WriteAddr —— 要写入的地址
* @param byte_to_write —— 要写入的字节数（0-256）
* @retval none
*/
void W25QXX_Page_Program(uint8_t* dat, uint32_t WriteAddr, uint16_t byte_to_write)
{
W25QXX_Write_Enable();
QSPI_Send_Command(PAGE_PROGRAM_CMD, WriteAddr, 0, QSPI_INSTRUCTION_1_LINE, QSPI_ADDRESS_1_LINE, QSPI_ADDRESS_24_BITS, QSPI_DATA_1_LINE);
QSPI_Transmit(dat, byte_to_write);
W25QXX_Wait_Busy();
}
6. 测试驱动
在 main.c 函数中编写代码，测试驱动：
首先定义两个缓存：
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
uint8_t dat[11] = "mculover666";
uint8_t read_buf[11] = {0};
/* USER CODE END 0 */
然后在 main 函数中编写代码：
/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("Test W25QXX...\r\n");
device_id = W25QXX_ReadID();
printf("device_id = 0x%04X\r\n\r\n", device_id);
/* 为了验证，首先读取要写入地址处的数据 */
printf("-------- read data before write -----------\r\n");
W25QXX_Read(read_buf, 5, 11);
printf("read date is %s\r\n", (char*)read_buf);
/* 擦除该扇区 */
printf("-------- erase sector 0 -----------\r\n");
W25QXX_Erase_Sector(0);
/* 写数据 */
printf("-------- write data -----------\r\n");
W25QXX_Page_Program(dat, 5, 11);
/* 再次读数据 */
printf("-------- read data after write -----------\r\n");
W25QXX_Read(read_buf, 5, 11);
printf("read date is %s\r\n", (char*)read_buf);
/* USER CODE END 2 */
测试结果如下：
至此，我们已经学会如何使用硬件QSPI接口读写SPI Flash的数据，下一节将讲述如何使用硬件SDMMC接口读取SD卡数据。
