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STM32入门学习12-软硬件SPI驱动W25Q64闪存

访客 技术 2026年7月16日 1

（一）SPI通信协议概述

SPI与I2C同属常见通信协议，SPI相较于I2C具有更高的传输速率。两者均为同步通信，需要时钟线配合，但SPI采用双数据线架构：一根用于主机发送（MOSI），一根用于主机接收（MISO）。此外，每个SPI从设备都通过独立的片选线（SS）与主机连接，主机通过拉低对应片选信号来选中目标从设备进行通信。

通信协议 时钟线 数据线 传输模式
I2C SCL SDA 半双工
SPI SCK MISO、MOSI 全双工

SPI支持四种工作模式，通过配置时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来决定采样时机和空闲电平。最常用的是模式0：时钟空闲时为低电平，在上升沿进行数据采样，这与I2C的时钟逻辑较为相似。

  • 模式0：CPOL=0，CPHA=0，SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样。
  • 模式1：CPOL=0，CPHA=1，SCK空闲为低电平，数据在SCK的下降沿被采样。
  • 模式2：CPOL=1，CPHA=0，SCK空闲为高电平，数据在SCK的下降沿被采样。
  • 模式3：CPOL=1，CPHA=1，SCK空闲为高电平，数据在SCK的上升沿被采样。

SPI的特点是发送与接收同时进行。在向指定地址写入数据时，该地址的原有数据会被同时读出，即使应用层并不需要这个数据。SPI同样采用高位先行的传输方式：主机数据的高位通过MOSI传输到从设备的低位，同时从设备的高位通过MISO传输到主机的低位。

（二）软件模拟SPI实现

通过GPIO引脚模拟SPI时序的方式称为软件模拟SPI。通信前需要先选中目标从设备，将片选线（SS）拉低。选用模式0时，SCK默认保持低电平，在上升沿采样数据。本示例中，片选线SS连接PA4，时钟线SCK连接PA5，主机输入MISO连接PA6，主机输出MOSI连接PA7。

#define SPI_SS   GPIO_Pin_4
#define SPI_SCK  GPIO_Pin_5
#define SPI_MISO GPIO_Pin_6
#define SPI_MOSI GPIO_Pin_7

为了简化软件模拟时的操作，封装三个基础函数：设置引脚输出高电平、设置引脚输出低电平、读取MISO引脚输入状态。

void spi_pin_set(uint16_t pin)
{
    GPIO_SetBits(GPIOA, pin);
}

void spi_pin_reset(uint16_t pin)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOA, pin);
}

uint8_t spi_pin_read(void)
{
    return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, SPI_MISO);
}

（1）SPI初始化

对各连接引脚进行初始化配置。SCK、MOSI和SS均配置为推挽输出模式，以获得更快的电平切换速度；MISO配置为上拉输入模式，用于接收从设备返回的数据。

void spi_soft_init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef gpio_init;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio_init.GPIO_Pin = SPI_SS | SPI_SCK | SPI_MOSI;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    gpio_init.GPIO_Pin = SPI_MISO;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    spi_pin_set(SPI_SS);
    spi_pin_reset(SPI_SCK);
}

初始化完成后，SS置高电平表示未选中任何从设备，SCK置低电平进入空闲状态。

（2）通信开始与结束

通过控制SS引脚电平来选中或释放从设备。开始通信时将SS拉低，结束通信时将SS拉高。

void spi_soft_start(void)
{
    spi_pin_reset(SPI_SS);
}

void spi_soft_end(void)
{
    spi_pin_set(SPI_SS);
}

（3）数据交换

采用模式0时，在SCK上升沿采样数据。从设备会自动将其高位数据放到MISO线上，主机循环执行8次即可完成一个字节的数据交换。

实现思路：在SCK低电平期间将待发送数据放在MOSI线上，然后拉高SCK产生上升沿，此时从设备数据已稳定在MISO线上，读取该引脚电平即可获得数据。最后将SCK恢复为低电平，为下一次交换做准备。

uint8_t spi_soft_exchange(uint8_t tx_data)
{
    uint8_t rx_data = 0x00;
    uint8_t i;
    
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        if (tx_data & (0x80 >> i))
        {
            spi_pin_set(SPI_MOSI);
        }
        else
        {
            spi_pin_reset(SPI_MOSI);
        }
        
        spi_pin_set(SPI_SCK);
        
        if (spi_pin_read())
        {
            rx_data |= (0x80 >> i);
        }
        
        spi_pin_reset(SPI_SCK);
    }
    
    return rx_data;
}

若仅需发送数据而无需接收返回值，可直接调用此函数并忽略返回值；若需要接收数据，需先发送任意数据（如0xFF）来触发从设备返回数据。

（4）完整代码

将上述函数封装为独立的模块，包含头文件声明和实现文件。

#ifndef __SOFT_SPI_H__
#define __SOFT_SPI_H__

void spi_soft_init(void);
void spi_soft_start(void);
void spi_soft_end(void);
uint8_t spi_soft_exchange(uint8_t tx_data);

#endif

#include "stm32f10x.h"

#define SPI_SS   GPIO_Pin_4
#define SPI_SCK  GPIO_Pin_5
#define SPI_MISO GPIO_Pin_6
#define SPI_MOSI GPIO_Pin_7

void spi_pin_set(uint16_t pin)
{
    GPIO_SetBits(GPIOA, pin);
}

void spi_pin_reset(uint16_t pin)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOA, pin);
}

uint8_t spi_pin_read(void)
{
    return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, SPI_MISO);
}

void spi_soft_init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef gpio_init;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio_init.GPIO_Pin = SPI_SS | SPI_SCK | SPI_MOSI;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    gpio_init.GPIO_Pin = SPI_MISO;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    spi_pin_set(SPI_SS);
    spi_pin_reset(SPI_SCK);
}

void spi_soft_start(void)
{
    spi_pin_reset(SPI_SS);
}

void spi_soft_end(void)
{
    spi_pin_set(SPI_SS);
}

uint8_t spi_soft_exchange(uint8_t tx_data)
{
    uint8_t rx_data = 0x00;
    uint8_t i;
    
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        if (tx_data & (0x80 >> i))
        {
            spi_pin_set(SPI_MOSI);
        }
        else
        {
            spi_pin_reset(SPI_MOSI);
        }
        
        spi_pin_set(SPI_SCK);
        
        if (spi_pin_read())
        {
            rx_data |= (0x80 >> i);
        }
        
        spi_pin_reset(SPI_SCK);
    }
    
    return rx_data;
}

（三）硬件SPI驱动

STM32内置SPI硬件控制器，可通过配置寄存器实现SPI通信。使用硬件SPI时，需将对应引脚配置为复用功能。本示例使用SPI1，引脚映射与软件模拟方案相同。

查看标准库提供的SPI相关函数：

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
void SPI_StructInit(SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);
void SPI_DataSizeConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_DataSize);
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);

（1）SPI初始化

时钟配置

首先使能GPIO和SPI1的外设时钟。SPI1挂载在APB2总线上。

void spi_hw_clock_enable(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
}

GPIO配置

片选信号SS由软件手动控制，配置为推挽输出。SCK和MOSI配置为复用推挽输出，由硬件SPI控制器驱动。MISO配置为上拉输入。

void spi_hw_gpio_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init;
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

SPI参数配置

根据模式0的要求配置SPI初始化结构体：双向全双工模式、主机模式、8位数据帧、时钟极性低、第一个边沿采样、软件控制片选、分频系数128、高位先行。

void spi_hw_config(void)
{
    SPI_InitTypeDef spi_init;
    spi_init.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    spi_init.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    spi_init.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    spi_init.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    spi_init.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    spi_init.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    spi_init.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;
    spi_init.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    spi_init.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI1, &spi_init);
}

统一初始化

将各初始化步骤组合，并在最后使能SPI控制器。

void spi_hw_init(void)
{
    spi_hw_clock_enable();
    spi_hw_gpio_init();
    spi_hw_config();
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

（2）通信控制

通过SS引脚实现从设备的选通和释放。

void spi_hw_start(void)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

void spi_hw_end(void)
{
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

（3）数据交换

硬件SPI的数据交换通过状态标志位控制。发送数据前需等待发送缓冲区为空，发送完成后接收缓冲区会自动接收从设备返回的数据，再等待接收缓冲区非空即可读取。

uint8_t spi_hw_transfer(uint8_t tx_byte)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
    SPI_I2S_SendData(SPI1, tx_byte);
    
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

（4）完整代码

#ifndef __HW_SPI_H__
#define __HW_SPI_H__

void spi_hw_init(void);
void spi_hw_start(void);
void spi_hw_end(void);
uint8_t spi_hw_transfer(uint8_t tx_byte);

#endif

#include "stm32f10x.h"

void spi_hw_clock_enable(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
}

void spi_hw_gpio_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init;
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    gpio_init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    gpio_init.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
    
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

void spi_hw_config(void)
{
    SPI_InitTypeDef spi_init;
    spi_init.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    spi_init.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    spi_init.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    spi_init.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    spi_init.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    spi_init.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    spi_init.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;
    spi_init.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    spi_init.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI1, &spi_init);
}

void spi_hw_init(void)
{
    spi_hw_clock_enable();
    spi_hw_gpio_init();
    spi_hw_config();
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

void spi_hw_start(void)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

void spi_hw_end(void)
{
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
}

uint8_t spi_hw_transfer(uint8_t tx_byte)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
    SPI_I2S_SendData(SPI1, tx_byte);
    
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

（四）W25Q64闪存操作

W25Q64是一款容量为64Mbit的串行Flash存储器，具有掉电数据不丢失特性，支持SPI模式0和模式3。其存储空间较大，地址宽度为24位。操作W25Q64需遵循以下规则：

（1）每次操作前需先发送指令码，再发送地址码指定目标区域；

（2）写入数据前必须先发送写使能指令；

（3）写入前必须先擦除对应区域，擦除后所有位变为1；

（4）擦除和写入操作需要一定时间，此时芯片处于忙状态，无法响应新的读写请求；

主要指令码包括：读取状态寄存器（0x05）、写使能（0x06）、页编程（0x02）、读取数据（0x03）、扇区擦除（0x20）等。

（1）等待芯片空闲

进行任何操作前都需检查芯片状态，确保不在忙碌状态。读取状态寄存器，判断最低位是否为0。

void flash_wait_ready(void)
{
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x05);
    while ((spi_hw_transfer(0xFF) & 0x01) != 0);
    spi_hw_end();
}

（2）写入数据

W25Q64支持连续地址自动递增，可一次写入多个字节。写入前需等待芯片就绪，发送写使能指令，然后发送页编程指令和24位起始地址，最后写入数据。

W25Q64存储结构划分为块、扇区和页。整片8MB存储空间包含128个64KB的块，每块包含16个4KB的扇区，每扇区包含16个256字节的页。写入超过一页长度的数据会导致地址回绕，覆盖页起始位置的数据。

void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint8_t len)
{
    uint8_t i;
    
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x06);
    spi_hw_end();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x02);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        spi_hw_transfer(data_buf[i]);
    }
    spi_hw_end();
}

地址右移16位得到高8位，右移8位得到中8位，保留低8位。SPI传输采用高位先行方式。

（3）读取数据

读取操作同样需先检查芯片状态，然后发送读取指令和起始地址，随后连续读取数据，地址会自动递增。

void flash_read_data(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint32_t len)
{
    uint32_t i;
    
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x03);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        data_buf[i] = spi_hw_transfer(0xFF);
    }
    spi_hw_end();
}

（4）扇区擦除

W25Q64不支持字节或页级别的单独擦除，只能按扇区（4KB）、块（64KB）或整片进行擦除。以下函数实现扇区擦除，擦除后该扇区内所有数据位变为1。

void flash_erase_sector(uint32_t addr)
{
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x06);
    spi_hw_end();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x20);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    spi_hw_end();
}

（5）完整驱动代码

将SPI初始化与Flash操作函数封装在一起，便于统一调用。

#ifndef __W25Q64_H__
#define __W25Q64_H__

void flash_init(void);
void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint8_t len);
void flash_read_data(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint32_t len);
void flash_erase_sector(uint32_t addr);

#endif

#include "stm32f10x.h"
#include "hw_spi.h"

void flash_init(void)
{
    spi_hw_init();
}

void flash_wait_ready(void)
{
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x05);
    while ((spi_hw_transfer(0xFF) & 0x01) != 0);
    spi_hw_end();
}

void flash_write_page(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint8_t len)
{
    uint8_t i;
    
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x06);
    spi_hw_end();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x02);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        spi_hw_transfer(data_buf[i]);
    }
    spi_hw_end();
}

void flash_read_data(uint32_t addr, uint8_t* data_buf, uint32_t len)
{
    uint32_t i;
    
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x03);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        data_buf[i] = spi_hw_transfer(0xFF);
    }
    spi_hw_end();
}

void flash_erase_sector(uint32_t addr)
{
    flash_wait_ready();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x06);
    spi_hw_end();
    
    spi_hw_start();
    spi_hw_transfer(0x20);
    spi_hw_transfer(addr >> 16);
    spi_hw_transfer(addr >> 8);
    spi_hw_transfer(addr);
    spi_hw_end();
}

（五）功能验证

在主函数中测试Flash的读写功能。先擦除指定扇区，然后写入测试数据，再读取验证。

#include "stm32f10x.h"
#include "OLED.h"
#include "w25q64.h"

int main(void)
{
    uint8_t write_buf[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    uint8_t read_buf[5];
    uint8_t i;
    
    OLED_Init();
    flash_init();
    
    flash_erase_sector(0x00000000);
    flash_write_page(0x00000000, write_buf, 10);
    flash_read_data(0x00000000, read_buf, 5);
    
    OLED_ShowString(1, 1, "Write:");
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        OLED_ShowNum(2, i + 1, write_buf[i], 1);
    }
    
    OLED_ShowString(3, 1, "Read:");
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        OLED_ShowNum(4, i + 1, read_buf[i], 1);
    }
    
    while (1);
    return 0;
}
标签: STM32
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方法一：通过官网安装包（最简单，适合初学者）如果你只是想快速安装并开始使用，这是最直接的方法。访问 Node.js 官网。页面会显示两个版本：LTS (Recommended For Most Users)：长期支持版，最稳定。建议选这个。Current：最新特性版，包含最新功能但可能不够稳定。下载 .pkg 安装包并运行。按照安装向导点击“下一步”即可完成。方法二：使用 Homebrew 安装（...

Dom\HTML_NO_DEFAULT_NS 的副作用：自动加闭合标签

在使用Dom\HTMLDocument时，Dom\HTML_NO_DEFAULT_NS 将禁止在解析过程中设置元素的命名空间, 此设置是为了与DOMDocument向后兼容而存在的。当使用它时，已知的一个副作用就是：自动加闭合标签例如 </img> 为什么会这样？当你使用：Dom\HTML_NO_DEFAULT_NS文档会变成 无命名空间模式，此时内部更接近 XML...

Laravel 事件和监听器创建

在 Laravel 中，使用 Artisan 命令创建 Events（事件） 和 Listeners（监听器） 是非常高效的。你可以通过以下几种方式来实现：1. 手动创建单个 Event如果你只想创建一个事件类，可以使用 make:event 命令：Bashphp artisan make:event UserRegistered执行后，文件将生成在 app/Even...

自定义域名解析神器 dnsmasq

什么是 dnsmasq？dnsmasq 是一个轻量级、功能强大的网络服务工具，专为小型和中等规模网络设计。它是一个综合的网络基础设施解决方案[1]。dnsmasq 能做什么？功能说明应用场景DNS 转发与缓存将 DNS 查询转发到上游服务器（ISP、Google DNS 等），并在本地缓存结果加快 DNS 查询速度，减少外部 DNS 流量本地 DNS解析本地网络设备的主机名，无需编辑&n...

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