STM32L4单片机基础——使用QSPI驱动外部FLASH W25Q64

NB的老王 发表于 2019/12/13 17:19:44 2019/12/13
【摘要】 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...

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。

mark

  • 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:
mark

搜索并选中芯片STM32L431RCT6:
mark

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:

mark

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:

mark

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

mark

配置QSPI接口

首先查看小熊派开发板上 SPI Flash 的原理图:

mark

其引脚连接情况如下:

SPI Flash连接引脚对应引脚
QUADSPI_BK1_NCSPB11
QUADSPI_BK1_CLKPB10
QUADSPI_BK1_IO0PB1
QUADSPI_BK1_IO1PB0

接下来配置 QSPI 接口:

mark

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:
mark

生成工程设置

mark

代码生成设置

最后设置生成独立的初始化文件:

mark

生成代码

点击GENERATE CODE即可生成MDK-V5工程:

mark

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:

mark

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:

mark

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:

mark

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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