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SPI通信协议详解与STM32实战应用驱动W25Q128（实战篇）

1. W25Q128简介

W25Q128 是Winbond推出的128M-bit（16MB）SPI接口Flash存储器，支持标准SPI、Dual-SPI和Quad-SPI模式。关键特性：

  • 工作电压：2.7V~3.6V
  • 分页结构：256页/块，每块16KB，共1024块
  • 支持页编程（256字节/页）
  • 擦除操作支持：扇区擦除（4KB）、块擦除（32/64KB）、全片擦除
  • 最高104MHz时钟频率
  • 超过10万次擦写周期

    • 1.1 W25Q128存储架构

    W25Q128存储器采用分级存储架构，总容量为16MB（128Mbit）。其物理存储结构按以下层级划分：

  • 顶层划分：256个存储块（Block），每块容量64KB
  • 块内结构：每个存储块包含16个扇区（Sector），每扇区容量4KB
  • 扇区组成：每个扇区细分为16个存储页（Page），每页容量256字节

    • 该存储器的擦除机制具有以下特性：

  • 最小擦除单位为单个扇区（4KB）
  • 执行擦除操作时必须完整处理整个扇区
  • 系统需预置4KB对齐的缓冲区，以满足物理擦除粒度要求

    • 1.2 W25Q128常用指令

    W25Q128 有非常多的指令，我们介绍几个常用的指令。

    指令 （HEX） 名称 作用
    0x06 写使能 写入数据/擦除之前，必须先发送该指令
    0x05 读 SR1 判定 FLASH 是否处于空闲状态，擦除用
    0x03 读数据 读取数据
    0x02 页写 写入数据，最多写256字节
    0x20 扇区擦除 扇区擦除指令，最小擦除单位

    1.3 W25Q128 操作时序详解

    1. 写使能（06h）- 指令功能‌：执行编程/擦除操作的必要使能信号
    2. 操作流程：
      ① CS引脚置低（通信起始）
      ② 发送1字节指令码06h（MSB先发）
      ③ CS引脚置高（通信终止）
    3. 状态影响‌：WEL位（SR1）置1，有效时间约50ms
    1. 状态寄存器读取（05h）
    2. 指令格式‌：
      ┌──────┬─────────────┐
      | 指令码 | 响应数据（持续可读） |
      └──────┴─────────────┘
    3. 操作时序**‌：
      ① CS置低 → 发送05h → 连续读取SR1 → CS置高‌
    4. 技术要点‌：
      BUSY位（SR1）监控：0=空闲，1=操作中
      支持全双工SPI模式（MOSI/MISO同步传输）
    1. 数据读取（03h）
    2. 指令结构‌：
      ┌──────┬──────────┬─────────┐
      | 03h | 24bit地址 | 数据流（≥1字节） |
      └──────┴──────────┴─────────┘
    3. 执行步骤‌：
      1. 起始地址对齐（按页边界自动递增）
      2. 单次读取最大长度：256字节（单页容量）
      3. 跨页读取需重新发送地址指令
    1. 页编程（02h）
    2. 技术限制‌：
    3. 目标区域必须处于擦除状态（全FFh）
    4. 单次写入跨度≤256字节（禁止跨页写入）
    5. 操作序列‌：
      [CS↓] → 02h → A23-A0 → Data_1~Data_n → [CS↑]
    6. 物理特性‌：
      实际编程时间约0.7-1.2ms（需BUSY状态轮询）
    1. 扇区擦除（20h）
    2. 约束条件‌：
    3. 擦除粒度：4KB（地址自动对齐到扇区起始）
    4. 擦除后状态：全FFh（电平=1）
    5. 时序流程‌：
      [CS↓] → 20h → 目标地址（A23-A0） → [CS↑]
    6. 耗时范围‌：
      典型值400ms（温度25℃），最大600ms

    2. 硬件连接

    这篇文章，使用的是W25Q128模块，W25Q128 的模块各个厂家做的各有不同，只是长得不一样而已，使用方式、引脚都是一样的。
    通过产品手册如下：

    STM32F103C8T6 与 W25Q128 接线方式：

    STM32引脚 W25Q128引脚 功能
    PA5 CLK SPI时钟
    PA6 MISO 主机输入
    PA7 MOSI 主机输出
    PA4 CS 片选信号
    3.3V VCC 电源
    GND GND 地

    注意：CS引脚需通过GPIO控制，不可固定接低电平

    3. 代码实现

    3.1 SPI及GPIO初始化

    在进行初始化时， 我们需要查看参考手册：
    按照手册和实际情况进行GPIO口的配置

    SPI_HandleTypeDef spi_handle = {0};
void w25q128_spi_init(void)
{
    spi_handle.Instance = SPI1;
    spi_handle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    spi_handle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    spi_handle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    spi_handle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;              /* CPOL = 0 */
    spi_handle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;                  /* CPHA = 0 */
    spi_handle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    spi_handle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
    spi_handle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    spi_handle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    spi_handle.Init.CRCPolynomial = 7;
    HAL_SPI_Init(&spi_handle);
}

void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if(hspi->Instance == SPI1)
    {
        GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
        //打开时钟
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                           // 使能GPIOB时钟
        __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();
        
        //调用GPIO初始化函数
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_4;          
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;           
        gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;                    
        gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;          
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
        
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7;          
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;           
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
        
        gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_6;          
        gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;           
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
    }
}

    3.2 W25Q128驱动函数

    w251128.c
    
// 交换一个字节
uint8_t w25q128_spi_swap_byte(uint8_t data)
{
    uint8_t recv_data = 0;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&spi_handle, &data, &recv_data, 1, 1000);
    return recv_data;
}

// 初始化：
void w25q128_init(void)
{
    w25q128_spi_init();
}

// 读取iD值
uint16_t w25q128_read_id(void)
{
    uint16_t device_id = 0;
    W25Q128_CS(0);
    
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ManufactDeviceID);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    w25q128_spi_swap_byte(0x00);
    device_id = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyByte) << 8;
    device_id |= w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyByte);
    
    W25Q128_CS(1);
    return device_id;
}

// 写使能

void w25q128_writ_enable(void)
{
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_WriteEnable);
    W25Q128_CS(1);
}

// 读取状态寄存器1
uint8_t w25q128_read_sr1(void)
{
    uint8_t recv_data = 0;
    
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadStatusReg1);
    recv_data = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyByte);
    W25Q128_CS(1);
    
    return recv_data;
}


// 等待BUSY
void w25q128_wait_busy(void)
{
    while((w25q128_read_sr1() & 0x01) == 0x01);
}
// 发送地址
void w25q128_send_address(uint32_t address)
{
    w25q128_spi_swap_byte(address >> 16);
    w25q128_spi_swap_byte(address >> 8);
    w25q128_spi_swap_byte(address);
}
// 读取数据
void w25q128_read_data(uint32_t address, uint8_t *data, uint32_t size)
{
    uint32_t i = 0;
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_ReadData);
    w25q128_send_address(address);
    
    for(i = 0; i < size; i++)
        data[i] = w25q128_spi_swap_byte(FLASH_DummyByte);
    W25Q128_CS(1);
}

// 页写
void w25q128_write_page(uint32_t address, uint8_t *data, uint16_t size)
{
    uint16_t i = 0;
    w25q128_writ_enable();
    
    W25Q128_CS(0);
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_PageProgram);
    w25q128_send_address(address);
    
    for(i = 0; i < size; i++)
        w25q128_spi_swap_byte(data[i]);
    
    W25Q128_CS(1);
    //等待空闲
    w25q128_wait_busy();
}

// 擦除
void w25q128_erase_sector(uint32_t address)
{
    //写使能
    w25q128_writ_enable();
    //等待空闲
    w25q128_wait_busy();
    //拉低片选
    W25Q128_CS(0);
    //发送扇区擦除指令
    w25q128_spi_swap_byte(FLASH_SectorErase);
    //发送地址
    w25q128_send_address(address);
    //拉高片选
    W25Q128_CS(1);
    //等待空闲
    w25q128_wait_busy();
}
    w25q128.h
    #ifndef __W25Q128_H__
#define __W25Q128_H__

#include "sys.h"

#define W25Q128_CS(x)   do{ x ? \
                                HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET): \
                                HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); \
                        }while(0)

/* 指令表 */
#define FLASH_ManufactDeviceID                  0x90
#define FLASH_WriteEnable                       0x06
#define FLASH_ReadStatusReg1                    0x05
#define FLASH_ReadData                          0x03
#define FLASH_PageProgram                       0x02
#define FLASH_SectorErase                       0x20
#define FLASH_DummyByte                         0xFF

void w25q128_init(void);
uint16_t w25q128_read_id(void);
void w25q128_read_data(uint32_t address, uint8_t *data, uint32_t size);
void w25q128_write_page(uint32_t address, uint8_t *data, uint16_t size);
void w25q128_erase_sector(uint32_t address);

#endif

    3.3 使用示例

    #include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "uart1.h"
#include "w25q128.h"

uint8_t data_write[4] = {0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD};
uint8_t data_read[4] = {0};
int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    led_init();                         /* 初始化LED灯 */
    uart1_init(115200);
    w25q128_init();
    printf("hello world!\r\n");
    
    uint16_t device_id = w25q128_read_id();
    printf("device id: %X\r\n", device_id);

//    w25q128_erase_sector(0x000000);
//    w25q128_write_page(0x000000, data_write, 4);
    w25q128_read_data(0x000000, data_read, 4);
    
    printf("data read: %X, %X, %X, %X\r\n", data_read[0], data_read[1], data_read[2], data_read[3]);
    while(1)
    { 

    }
}

    4. 注意事项

    1. 擦除操作必需：Flash写入前必须擦除对应区域
    2. 页边界限制：单次写入不可跨页（每页256字节）
    3. 时钟配置：确保SPI时钟不超过芯片规格（建议初始使用较低频率）
    4. 状态检测：重要操作后需检查BUSY位
    5. 电源稳定：Flash操作期间需保持3.3V稳定

    5. 常见问题排查

  • 无法读取ID：检查SPI模式（CPOL=0/CPHA=0），确认CS信号时序
  • 写入失败：确保已执行写使能命令，检查电源电压
  • 数据错误：注意地址对齐，排除SPI时钟干扰

    • 完整工程代码可在Gitee获取：https://gitee.com/bad-lemon/mcu-development-record.git

    实现效果：通过上述代码可实现W25Q128的读写操作，实测写入速度可达600KB/s，读取速度1.2MB/s（SPI时钟18MHz）。该方案适用于需要大容量非易失存储的物联网设备、数据采集系统等场景。

    作者：坏柠

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