11.1實驗內容

通過本實驗主要學習以下內容：

• SPI簡介

• GD32F470 SPI簡介

• SPI NOR FLASH——GD25Q32ESIGR簡介

• 使用GD32F470 SPI接口實現對GD25Q32ESIGR的讀寫操作

11.2實驗原理

11.2.1SPI簡介

SPI（Serial Peripheral interface），顧名思義是串行外設接口，和UART不同的是，SPI是同步通訊接口，所以帶有時鐘線，而UART是異步通訊接口，不需要時鐘線。

SPI通常使用4根線，分別為SCK、MOSI、MISO、NSS（CS）：

• SCK：串列時脈，由主機發出

• MOSI：主機輸出從機輸入信號（數據由主機發出）

• MISO：主機輸入從機輸出信號（數據由從機發出）

• NSS：片選信號，由主機發出，一般是低電位有效

SPI默認為全雙工工作，在這種工作模式下，主機通過MOSI線發送數據的同時，也在MISO線上接受數據，簡單來說就是主機和從機之間進行數據交換。

SPI是一個可以實現一主多從的通訊接口，從機的片選由主機NSS腳來控制：

每個通訊時刻，只有一個從機NSS被主機選中，選中方式為主機拉低響應的NSS（CS）腳。

SPI的數據線只有一條（雖然有MOSI和MISO，但實際上每個CLK主機都只能發送和接受一個bit），所以稱之為單線SPI。從SPI衍生出來的還有4線制SPI（QSPI）和8線制SPI（OSPI）以及其他多線制SPI，這個我們后面具體再聊。

11.2.2GD32F470 SPI簡介

GD32F470的主要特性如下：

?具有全雙工和單工模式的主從操作；
? 16位寬度，獨立的發送和接收緩沖區；
? 8位或16位數據幀格式；
?低位在前或高位在前的數據位順序；
?軟件和硬件NSS管理；
?硬件CRC計算、發送和校驗；
?發送和接收支持DMA模式；
?支持SPI TI模式；
?支持SPI NSS脈沖模式
?支持SPI四線功能的主機模式（僅在SPI0中）

以下為GD32F470 SPI的框圖：

我們可以看到GD32F470有一個發送緩沖區和一個接受緩沖區這兩個緩沖區都對應的是SPI_DATA寄存器，向SPI_DATA寄存器寫數據將會把數據存入發送緩沖區，從SPI_DATA讀數據，將從接受緩沖區獲得數據。GD32F470還有一個移位寄存器，當主機發送緩沖區被寫入數據時，數據將立刻轉移到移位寄存器，移位寄存器通過MOSI信號線將字節傳送給從機，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。外設的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節；反之，若主機要讀取從機的一個字節，就必須發送一個空字節來引發從機的傳輸。

SPI數據bit在CLK的有效邊沿被鎖存，而有效邊沿是可以選擇的，分別為：

• 第一個上升沿

• 第一個下降沿

• 第二個下降沿

• 第二個上升沿

通過SPI_CTL0寄存器中的CKPL位和CKPH位來設置有效鎖存沿。其中CKPL位決定了空閑狀態時SCK的電平，CKPH位決定了第一個或第二個時鐘跳變沿為有效采樣邊沿。SPI_CTL0中的LF位可以配置數據順序， 當LF=1時，SPI先發送LSB位，當LF=0時，則先發送MSB位。SPI_CTL0中的FF16位配置數據長度， 當FF16=1時，數據長度為16位，否則為8位。下圖為SPI的時序圖：

4線SPI（QSPI）的時序圖如下(CKPL=1, CKPH=1, LF=0) ，我們可以看到QSPI是通過MOSI、MISO、IO2、IO3來進行數據收或發，所以QSPI是工作在半雙工模式：

這里再介紹下SPI的NSS（片選）功能。NSS電平由主機來控制，主機將需要操作的從機NSS拉低，從而使該從機在總線上生效。

主機控制NSS的方式有兩種——硬件方式和軟件方式。主機硬件NSS模式下，NSS腳只能選擇特定IO口（具體見datasheet中IO口功能表），當開始進行數據讀寫時，NSS自動拉低，這種方式的優點是主機NSS由硬件自動控制，缺點是只能控制一個從機；主機NSS軟件模式下，NSS可以使用任意IO口，需要控制哪個從機，軟件將對于IO拉低即可，這種方式的優點是可以實現一個主機多個從機的通訊，缺點是軟件需要介入控制NSS腳。

從機獲取NSS狀態的方式也有兩種——硬件方式和軟件方式。從機硬件NSS模式下，SPI從NSS引腳獲取NSS電平， 在軟件NSS模式（SWNSSEN = 1） 下，SPI根據SWNSS位得到NSS電平。

SPI除了單線全雙工模式外，還有很多其他方式，比如可以實現只用MOSI進行數據收和發的半雙工通訊，這樣就可以省下MISO用作他處了，具體可以參考GD32F4xxx系列官方用戶手冊。

下面介紹下SPI的發送和接受流程：

發送流程
在完成初始化過程之后， SPI 模塊使能并保持在空閑狀態。在主機模式下， 當軟件寫一個數據到發送緩沖區時，發送過程開始。在從機模式下，當SCK引腳上的SCK信號開始翻轉， 且NSS引腳電平為低， 發送過程開始。 所以， 在從機模式下，應用程序必須確保在數據發送開始前， 數據已經寫入發送緩沖區中。
當 SPI 開始發送一個數據幀時， 首先將這個數據幀從數據緩沖區加載到移位寄存器中，然后開始發送加載的數據。在數據幀的第一位發送之后，TBE（發送緩沖區空） 位置1。TBE標志位置1， 說明發送緩沖區為空， 此時如果需要發送更多數據， 軟件應該繼續寫SPI_DATA寄存器。在主機模式下， 若想要實現連續發送功能， 那么在當前數據幀發送完成前， 軟件應該將下一個數據寫入SPI_DATA寄存器中。

接收流程
在最后一個采樣時鐘邊沿之后， 接收到的數據將從移位寄存器存入到接收緩沖區， 且 RBNE（接收緩沖區非空） 位置1。軟件通過讀SPI_DATA寄存器獲得接收的數據， 此操作會自動清除RBNE標志位。

11.2.3SPI FLASH——GD25Q32ESIGR簡介

GD25Q32ESIGR是一款容量為32Mbit（即4Mbyte）的SPI接口的NOR FLASH，其支持SPI和QSPI模式，芯片示意圖如下：

GD25Q32ESIGR管腳定義如下：

GD25Q32ESIGR內部flash結構如下：

下面介紹GD25Q32ESIGR的一些功能碼。

Write Enable (WREN) (06H) ：接受到該命令后，GD25Q32ESIGR做好接受數據并進行存儲的準備，時序如下：

Read Status Register (RDSR) (05H or 35H or 15H) ：讀GD25Q32ESIGR的狀態，時序如下：

Read Data Bytes (READ) (03H) ：接受到該命令后，GD25Q32ESIGR將數據準備好供主機讀走，時序如下：

Dual Output Fast Read (3BH) ：使GD25Q32ESIGR切換到QSPI模式，時序如下：

Quad Output Fast Read (6BH) ：QSPI讀命令，時序如下：

Quad Page Program (32H) ：QSPI寫命令，時序如下：

Sector Erase (SE) (20H) ：Sector擦除命令，時序如下：

GD25Q32ESIGR就介紹到這里，讀者可以在兆易創新官網下載該NOR FLASH的datasheet以獲取更多信息。

11.3硬件設計

紫藤派開發板SPI——NOR FLASH的硬件設計如下：

從圖中可以看出，本實驗使用的是普通單線SPI，GD25Q32ESIGR的片選由GD32F470的PF6控制，并采用主機NSS軟件模式，GD25Q32ESIGR的SO、SI和SCLK分別和GD32F470的PF8（SPI4_MISO）、PB9（SPI4_MOSI）以及PF7（SPI4_CLK）相連。

11.4代碼解析

11.4.1SPI初始化函數

在driver_spi.c文件中定義了SPI初始化函數driver_spi_init：

C

void driver_spi_init(typdef_spi_struct *spix)

{

spi_parameter_struct spi_init_struct;

rcu_periph_clock_enable(spix->rcu_spi_x);

/* spi configure */

spi_i2s_deinit(spix->spi_x);

driver_gpio_general_init(spix->spi_cs_gpio);

driver_gpio_general_init(spix->spi_sck_gpio);

driver_gpio_general_init(spix->spi_mosi_gpio);

driver_gpio_general_init(spix->spi_miso_gpio);

if(spix->spi_mode==MODE_DMA)

{

if(spix->spi_rx_dma!=NULL)

{

if(spix->frame_size==SPI_FRAMESIZE_8BIT){

driver_dma_com_init(spix->spi_rx_dma,(uint32_t)&SPI_DATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_PERIPH_TO_MEMORY);

}

else{

driver_dma_com_init(spix->spi_rx_dma,(uint32_t)&SPI_DATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_16BIT,DMA_PERIPH_TO_MEMORY);

}

}

if(spix->spi_tx_dma!=NULL)

{

if(spix->frame_size==SPI_FRAMESIZE_8BIT){

driver_dma_com_init(spix->spi_tx_dma,(uint32_t)&SPI_DATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPH);

}

else{

driver_dma_com_init(spix->spi_tx_dma,(uint32_t)&SPI_DATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_16BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPH);

}

}

}

if(spix->spi_cs_gpio!=NULL)

{

driver_gpio_pin_set(spix->spi_cs_gpio);

}

spi_struct_para_init(&spi_init_struct);

/* SPI3 parameter config */

spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;

spi_init_struct.device_mode = spix->device_mode;

spi_init_struct.frame_size = spix->frame_size;

spi_init_struct.clock_polarity_phase = spix->clock_polarity_phase;

if(spix->device_mode==SPI_MASTER){

spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;

}else{

spi_init_struct.nss = SPI_NSS_HARD;

}

spi_init_struct.prescale = spix->prescale;

spi_init_struct.endian = spix->endian;

spi_init(spix->spi_x, &spi_init_struct);

/* enable SPI3 */

spi_enable(spix->spi_x);

}

11.4.2SPI輪訓接受一個數函數

在driver_spi.c文件中定義了使用輪訓方式發送接受一個字節數據函數driver_spi_master_transmit_receive_byte：

C

uint8_t driver_spi_master_transmit_receive_byte(typdef_spi_struct *spix,uint8_t byte)

{

SPI_DATA(spix->spi_x);

SPI_STAT(spix->spi_x);

driver_spi_flag_wait_timeout(spix,SPI_FLAG_TBE,SET);

spi_i2s_data_transmit(spix->spi_x,byte);

DRV_ERROR==driver_spi_flag_wait_timeout(spix,SPI_FLAG_RBNE,SET);

return spi_i2s_data_receive(spix->spi_x);

}

上面函數中有帶超時功能的等待SPI狀態的函數driver_spi_flag_wait_timeout，該函數定義在driver_spi.c：

C

Drv_Err driver_spi_flag_wait_timeout(typdef_spi_struct *spix, uint32_t flag ,FlagStatus wait_state)

{

uint64_t timeout = driver_tick;

while(wait_state!=spi_i2s_flag_get(spix->spi_x, flag)){

if((timeout+SPI_TIMEOUT_MS) <= driver_tick) {              

return DRV_ERROR;

}

}

return DRV_SUCCESS;

}

11.4.3SPI NOR FLASH 接口bsp層函數

操作NOR FLASH的函數都定義在bsp層文件bsp_spi_nor.c中，這個文件中定義的函數都是針對NOR FLASH特性來實現的，我們選取幾個函數進行介紹。

NOR FLASH按sector擦除函數bsp_spi_nor_sector_erase，該函數流程是：使能NOR FLASH的寫功能->拉低片選->向NOR FLASH發送sector擦除指令SE（0x20）->從低地址到高地址發送需要擦除的地址->拉高片選->等待NOR FALSH內部操作完成（循環去讀NOR FLASH狀態，直到讀出編程狀態為0）

C

void bsp_spi_nor_sector_erase(uint32_t sector_addr)

{

/* send write enable instruction */

bsp_spi_nor_write_enable();

/* sector erase */

/* select the flash: chip select low */

bsp_spi_nor_cs_low();

/* send sector erase instruction */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SE);

/* send sector_addr high nibble address byte */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(sector_addr & 0xFF0000) >> 16);

/* send sector_addr medium nibble address byte */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(sector_addr & 0xFF00) >> 8);

/* send sector_addr low nibble address byte */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,sector_addr & 0xFF);

/* deselect the flash: chip select high */

bsp_spi_nor_cs_high();

/* wait the end of flash writing */

bsp_spi_nor_wait_for_write_end();

}

2.按page寫數據函數bsp_spi_nor_page_write，該函數實現在page范圍內寫數據，該函數流程是：使能NOR FLASH的寫功能->拉低片選->向NOR FLASH發送寫指令WRITE（0x02）->從低地址到高地址發送要寫的地址（每次進行寫數據時，只需要給初始地址即可，寫完一個數據后NOR FLASH內部會自動把地址+1）->寫數據->拉高片選->等待NOR FALSH內部操作完成（循環去讀NOR FLASH狀態，直到讀出編程狀態為0）

C

void bsp_spi_nor_page_write(uint8_t* pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write)

void bsp_spi_nor_page_write(uint8_t* pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write)

{

/* enable the write access to the flash */

bsp_spi_nor_write_enable();

/* select the flash: chip select low */

bsp_spi_nor_cs_low();

/* send 'write to memory' instruction */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,WRITE);

/* send write_addr high nibble address byte to write to */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(write_addr & 0xFF0000) >> 16);

/* send write_addr medium nibble address byte to write to */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(write_addr & 0xFF00) >> 8);

/* send write_addr low nibble address byte to write to */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,write_addr & 0xFF);

/* while there is data to be written on the flash */

while(num_byte_to_write--){

/* send the current byte */

driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,*pbuffer);

/* point on the next byte to be written */

pbuffer++;

}

/* deselect the flash: chip select high */

bsp_spi_nor_cs_high();

/* wait the end of flash writing */

bsp_spi_nor_wait_for_write_end();

}

3.按buffer寫數據函數bsp_spi_nor_buffer_write，該函數實現任意長度數據寫入，使用page寫函數搭配算法，可以跨page進行寫數據：

C

void bsp_spi_nor_buffer_write(uint8_t* pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write)

{

uint8_t num_of_page = 0, num_of_single = 0, addr = 0, count = 0, temp = 0;

addr = write_addr % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

count = SPI_FLASH_PAGE_SIZE - addr;

num_of_page = num_byte_to_write / SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

num_of_single = num_byte_to_write % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

/* write_addr is SPI_FLASH_PAGE_SIZE aligned */

if(0 == addr){

/* num_byte_to_write < SPI_FLASH_PAGE_SIZE */

if(0 == num_of_page)

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,num_byte_to_write);

/* num_byte_to_write > SPI_FLASH_PAGE_SIZE */

else{

while(num_of_page--){

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,SPI_FLASH_PAGE_SIZE);

write_addr += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

pbuffer += SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

}

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,num_of_single);

}

}else{

/* write_addr is not SPI_FLASH_PAGE_SIZE aligned */

if(0 == num_of_page){

/* (num_byte_to_write + write_addr) > SPI_FLASH_PAGE_SIZE */

if(num_of_single > count){

temp = num_of_single - count;

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,count);

write_addr += count;

pbuffer += count;

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,temp);

}else

bsp_spi_nor_page_write(pbuffer,write_addr,num_byte_to_write);

}else{

/* num_byte_to_write > SPI_FLASH_PAGE_SIZE */

num_byte_to_write -= count;

num_of_page = num_byte_to_write / SPI_FLASH_PAGE_SIZE;

num_of_single = num_byte_to_write % SPI_FLASH_PAGE_SIZE;