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06 SPI 通信（HAL）
目标：SPI1 驱动 W25Q64（外置 Flash），实现按键切换 LED 状态并断电保存
原理简述
总线结构
SPI 是 全双工、同步 串行通信协议，核心四线制：
- SCK（Serial Clock）— 时钟线，由主机驱动
- MOSI（Master Out Slave In）— 主机输出，从机输入
- MISO（Master In Slave Out）— 主机输入，从机输出
- CS/NSS（Chip Select）— 片选线，低电平有效，每个从机独占一根
数据传输过程中，一个时钟周期同时完成一位数据的发送和接收：
MOSI: 主机数据线 → 每个 SCK 周期移出一位
MISO: 从机数据线 → 每个 SCK 周期移出一位
全双工：收和发同时进行，互不干扰
时钟极性 (CPOL) 与时钟相位 (CPHA)
SPI 有 5 个可配置参数（铁头山羊课程中的 5 参数模型）：
| # | 参数 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 波特率 | SCK 频率，由主机分频产生 |
| 2 | 数据位顺序 | MSB First / LSB First |
| 3 | 数据位长度 | 8 位 / 16 位 |
| 4 | 时钟极性 (CPOL) | 空闲时 SCK 电平：0=低, 1=高 |
| 5 | 时钟相位 (CPHA) | 数据采样边沿：0=第一边沿, 1=第二边沿 |
CPOL（时钟极性）：
- CPOL = 0：SCK 空闲时为低电平
- CPOL = 1：SCK 空闲时为高电平
CPHA（时钟相位） —— 数据传输分为"发送"和"采集"两个阶段：
- CPHA = 0：第一个边沿采集（采样），第二个边沿发送
- CPHA = 1：第一个边沿发送，第二个边沿采集（采样）
4 种模式的完整时序：
| 模式 | CPOL | CPHA | 说明 |
|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 空闲低 → 上升沿采样（最常用） |
| Mode 1 | 0 | 1 | 空闲低 → 下降沿采样 |
| Mode 2 | 1 | 0 | 空闲高 → 下降沿采样 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 空闲高 → 上升沿采样 |
CubeMX 配置
- SPI1 → 模式 Full-Duplex Master
- 参数：
- Frame Format：Motorola
- Data Size：8 Bits
- First Bit：MSB First
- Prescaler：32
- 默认 8MHz 系统时钟 → SCK = 8MHz/32 = 250kHz
- 配置 72MHz 后 → SCK = 72MHz/32 = 2.25MHz
- W25Q64 支持最高 104MHz，2.25MHz 完全没问题
- CPOL：Low
- CPHA：1 Edge
- NSS：Software（软件控制 CS）
- 额外将 PA4 设为 GPIO_Output（用作软件 CS）
关键 HAL API
| 函数 | 说明 |
|---|---|
HAL_SPI_Transmit(&hspi, pData, Size, Timeout) |
发送数据 |
HAL_SPI_Receive(&hspi, pData, Size, Timeout) |
接收数据（内部发 0xFF 产生时钟） |
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, pTx, pRx, Size, Timeout) |
同时收发 |
W25Q64 操作（完整示例）
/* CS 控制 */
#define W25Q64_CS_LOW() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET)
#define W25Q64_CS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET)
/* 写使能 (0x06) */
static void W25Q64_WriteEnable(void)
{
uint8_t cmd = 0x06;
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
}
/* 读状态寄存器 (0x05) */
static uint8_t W25Q64_ReadSR(void)
{
uint8_t cmd[2] = {0x05, 0xFF};
uint8_t rx[2] = {0};
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, cmd, rx, 2, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
return rx[1];
}
/* 等待 BUSY 位清零（读状态寄存器 bit0） */
static void W25Q64_WaitBusy(void)
{
uint8_t sr;
do {
uint8_t cmd[2] = {0x05, 0xFF}; // 读状态寄存器 1
uint8_t rx[2] = {0};
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, cmd, rx, 2, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
sr = rx[1];
} while (sr & 0x01); // bit0=1 表示正在忙
}
/* 扇区擦除 (4KB, 0x20) — 地址自动按 4KB 对齐 */
static void W25Q64_SectorErase(uint32_t addr)
{
uint8_t cmd[4] = {0x20, (addr>>16)&0xFF, (addr>>8)&0xFF, addr&0xFF};
W25Q64_WriteEnable();
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
W25Q64_WaitBusy(); // 比固定延时更可靠
}
/* 页写入 (256字节以内, 0x02) — 地址必须按 256 字节对齐 */
static void W25Q64_PageProgram(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
uint8_t cmd[4] = {0x02, (addr>>16)&0xFF, (addr>>8)&0xFF, addr&0xFF};
if (len > 256) len = 256; // 页编程最多 256 字节
W25Q64_WriteEnable();
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, len, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
W25Q64_WaitBusy();
}
/* 读取数据 (0x03) */
static void W25Q64_ReadData(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len)
{
uint8_t cmd[4] = {0x03, (addr>>16)&0xFF, (addr>>8)&0xFF, addr&0xFF};
W25Q64_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, buf, len, HAL_MAX_DELAY);
W25Q64_CS_HIGH();
}
按键 + Flash 保存 LED 状态
uint8_t pre_key = 1, cur_key = 1;
uint8_t led_status;
led_status = LoadLEDState(); // 上电从 Flash 读取
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13,
led_status ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
while (1)
{
pre_key = cur_key;
cur_key = (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) ? 0 : 1;
if (pre_key != cur_key)
{
HAL_Delay(10);
if (cur_key == 1) // 松开沿
{
led_status = !led_status;
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13,
led_status ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
SaveLEDState(led_status); // 保存到 Flash
}
}
}
常见坑点
- ⚠️ SPI 的 NSS 用软件控制更简单，PA4 作为普通 GPIO 拉高拉低
- ⚠️ W25Q64 写入前必须先擦除（只能 1→0，不能 0→1）
- ⚠️ 每次写操作前必须发送 写使能命令 (0x06)
- ⚠️ 分频后波特率不要超过从机支持的最大频率