STM32L4单片机基础——使用QSPI驱动外部FLASH W25Q64
1. 准备工作
硬件准备
开发板
首先需要准备一个小熊派IoT开发板,并通过USB线与电脑连接。
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。
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
参考:单片机基础——重定向printf输出到串口输出的多种方法。
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**: ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/NaLt1TbTLkEQ.png?imageslim) 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: ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/3AEI5vo1PAt6.png?imageslim) ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/XFJeqVP2Synu.png?imageslim) 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: ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/PSxaMby1uMur.png?imageslim) 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: ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/djkcs1yIqr4P.png?imageslim) 页写入的时序如图: ![mark](http://mculover666.cn/image/20190903/N0cmYLXQXItA.png?imageslim) 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。
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