代码收藏家技术教程 2025-03-02

仅需一个 HAL 库函数：轻松实现 STM32 的 SPI 编程（以 Flash 25Q128 为例）

主要介绍如何用HAL_SPI_TransmitReceive()函数实现对W25Q128 Flash存储器ID的读取。先介绍SPI是一种高速且简单的同步串行接口技术，由四根线(（MOSI、MISO、SCLK和SS/CS）)组成。接着介绍Flash ,它是串行闪存芯片，能提供更大存储容量。还提到STM32 HAL库简化了SPI编程，以正点原子精英V2开发板为例，给出开发环境及函数原型和参数。最后展示读取ID的代码示例，通过发送命令、接收数据并判断状态来获取ID。

一、SPI介绍

百科上解释，SPI（Serial Peripheral Interface一一串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI通讯其实就是设备之间互相“唠嗑”、传数据的一种方式。就好比在餐厅里，顾客、服务员和厨房之间得交流，才能顺利地把饭吃上。有些在电子设备里，主机和从机就靠着SPI通讯。广泛应用：常用于传感器、存储芯片（如W25Q64）、显示器等外设与主控芯片之间的通信。

1.为啥要用SPI？

高速传输：比其他一些通信协议（如I2C）更快。

简单直接：只需要4根线就能实现设备间的通信。

2.SPI的基本组成

四根线搞定,SPI通信只需要四根线，分别是：

MOSI (Master Out Slave In)：主机发送数据给从机。

MISO (Master In Slave Out)：主机接收从机的数据。

SCLK (Serial Clock)：时钟信号，控制数据传输的节奏。

SS/CS (Slave Select/Chip Select)：选择要通信的从设备。

3.餐馆点餐吃饭类比SPI

为了让你更好地理解这些概念，我们用一个大家都熟悉的场景- 餐馆点餐吃饭.

顾客点菜（MOSI）：你告诉服务员你想点什么菜（发送命令和地址）。
服务员送餐（MISO）：服务员将你点的菜送到桌上（返回数据）。
服务流程时间表（SCK）：餐厅有一套严格的时间表，确保每个步骤都能按时完成（时钟信号控制数据传输节奏）。
顾客呼叫特定服务员（SS/CS）：当你按下餐桌上的呼叫按钮时，只有负责这张桌子的服务员会过来服务（选择从设备进行通信）。

4.SPI时序图

主机通过拉低 CS 选中从机，SCK 提供时钟信号确定节奏。主机经 MOSI 发数据，从机经 MISO 回传。按时钟信号在特定边沿收发数据，完成一次通讯后主机拉高 CS 结束。

二、 Flash 介绍

1.什么是Flash串行闪存芯片？

Flash串行闪存芯片是一种非易失性存储器，即使在断电的情况下也能保存数据。它们通过 SPI（Serial Peripheral Interface）接口与主控设备进行通信。相比于并行闪存，串行闪存具有引脚数少、封装小、成本低等优点。W25Q64和W25Q128都是常见的串行闪存芯片。它就是单片机的 “小仓库”，可以把程序、数据啥的存进去，要用的时候再取出来，就像咱们把东西存进仓库，要用的时候再去拿。

2.为啥需要Flash？

尽管单片机有内置Flash，但外置提供更大存储容量，适合大数据存储,大多数单片机的内置 Flash 容量相对较小（例如，STM32F103C8T6 只有 64 KB 或 128 KB）。而 W25Q64 提供了 8 MB 的存储空间。它还能分离存储，保护主程序代码，避免干扰和误操作，提升系统稳定性和灵活性。

3.Flash的类比

Flash可类比为电脑硬盘与U盘。电脑硬盘长期存储操作系统、软件、文档等多样数据，Flash在嵌入式系统里能存程序代码、传感器数据。Flash类似一个巨大的字节数组，支持按地址进行数据增删改查操作（CRUD：Create, Read, Update, Delete）。增（写入）数据需按页对齐，删（擦除）以扇区或块为单位，改（更新）需先擦除再写入，查（读取）则直接按地址读取。

4.Flash芯片举例

4.1 W25Q64 是由 Winbond（华邦电子）生产的一款 SPI NOR Flash 存储器。

W25Q64 容量为 64 兆比特(Megabit, Mbit),W25Q的"64"是Mbit ，换算后为 8 兆字节(MB)，即 8×1024×1024 字节(Byte),选型的时候要注意的。包含 128 个块、2048 个扇区或 32768 个页。

4.1 NM25Q128EVB容量

NM25Q128EVB容量为 128 兆比特(Mbit)，W25Q的"128"是Mbit ,换算后为 16 兆字节(MB)，即 16×1024×1024 字节(Byte)，是 W25Q64 容量的两倍，因此它包含 256 个块、4096 个扇区或 65536 个页。读 ID(Manufacturer ID)的命令是0x90,其默认值是0x52.

5.命令统计

W25Q64和NM25Q128EVB都通用的.

操作	命令
读 ID	0x90
读数据	0x03
写使能	0x06
读状态	0x05或0x35 或 0x15
擦除扇区	0x20

三、SPI编程

1.STM32 HAL库

以前SPI编程可麻烦了，各种底层操作让人眼花缭乱。但有了HAL库函数就不一样了，它就像贴心的餐厅服务生，对服务流程门儿清。你去餐厅点餐，只要告诉服务生想吃啥，后面的备餐、上菜他都能搞定。同样，在SPI通信里，你只要跟HAL库说清楚数据发送和接收的需求，像初始化、参数设置这些复杂细节，它都帮你处理，你就能专心搞数据传输。通过SPI接口，STM32和Flash之间的数据传输就跟顾客和服务生交流一样，简单又高效。

2.开发环境

硬件：正点原子精英版 V2 STM32F103开发板

单片机：STM32F103ZET6

Keil版本：5.32

STM32CubeMX版本：6.9.2

STM32Cube MCU Packges版本：STM32F1xx_DFP.2.4.1
串口：USART1(PA9,PA10)

SPI2:

PB12 SPI2_CS

PB13 SPI2_SCK

PB14 SPI2_MISO

PB15 SPI2_MOSI
Flash型号:NM25Q128EVB

3.一个 HAL 库函数搞定 SPI 编程

函数原型

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, const uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)//同时收发数据

参数	说明
SPI_HandleTypeDef *hspi	哪个SPI控制器
uint8_t *pTxData	要发送的数据的 buffer
uint8_t *pRxData	存储接收到的数据是 buffer
uint16_t Size	数据个数
uint32_t Timeout	超时时间，单位是 Tick，一般是 1ms
返回值	HAL_OK：成功 HAL_ERROR：错误 HAL_BUSY：总线忙 HAL_TIMEOUT：超时

4.配置STM32CubeMX

4.1.启动STM32CubeMX，新建STM32CubeMX项目：

4.2.选择MCU：在软件中选择你的STM32型号-STM32F103ZET6。

4.3.选择时钟源：

4.4.配置时钟：

4.5.使能Debug功能：Serial Wire

4.6.HAL库时基选择：SysTick

4.7.USART1配置：选择异步模式,使能中断。

4.8.开启SPI2：
4.9.配置工程参数：在Project标签页中，配置项目名称和位置，选择工具链MDK-ARM。 4.10.生成代码：在Code Generator标签页中，配置工程外设文件与HAL库，勾选头文件.c和.h文件分开，然后点击Project > Generate Code生成代码。

5.代码示例

具体源码请查看附件.

/**
 * @brief 读取W25Q128 Flash存储器的设备ID
 * @note  使用HAL库函数 HAL_SPI_TransmitReceive 来发送读取ID命令并接收响应
 * @retval 返回制造商ID（Manufacturer ID）
 */
int SPIFlash_25QX_ReadID(void)
{
    // 发送缓冲区，包含读取设备ID的命令 0x9F 和一个填充字节 0xFF
    uint8_t txbuf[2] = {0x9F, 0xff};
    
    // 接收缓冲区，用于存储从W25Q128接收到的设备ID信息
    uint8_t rxbuf[2] = {0, 0};

    // 打开片选引脚（CS/SS），告诉W25Q128我们即将开始通信
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低片选引脚

    // 发送读取设备ID的命令，并接收设备ID信息
    // 参数解释：
    // &hspi2: SPI句柄
    // txbuf: 发送缓冲区
    // rxbuf: 接收缓冲区
    // 2: 发送和接收的数据长度（以字节为单位）
    // 10: 超时时间（毫秒）
    HAL_StatusTypeDef status = HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, txbuf, rxbuf, 2, 10);

    // 关闭片选引脚（CS/SS），结束与W25Q128的通信
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);  // 拉高片选引脚

    // 检查传输状态是否成功
    if (status == HAL_OK)
    {
        // 返回制造商ID（Manufacturer ID），位于rxbuf[1]
        return rxbuf[1];
    }
    else
    {
        // 如果传输失败，返回错误码 -1
        return -1;
    }
}