W25Q128存储器详解

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良许
     陕西
    阅读 12 分钟

    可能有很多小伙伴对 W25Q128 感到陌生，说白了它就是一个存储芯片。它是一款高性能、容量较大的闪存存储器芯片，通过 SPI 接口进行通信，适用于各种需要高速、大容量数据存储的场合。常用于嵌入式系统中，作为程序代码存储器或配置数据存储器，如微控制器、单板计算机等。

    SPI 是一种通信协议，今天学习 W25Q128 的同时会讲解一下 SPI 通信协议，不懂 SPI 的小伙伴也可以接着看。

    1. 源码下载及前置阅读

    本文首发良许嵌入式网，https://www.lxlinux.net/e/ ，欢迎关注！

    本文所涉及的源码及安装包如下（由于平台限制，请点击以下链接阅读原文下载）：

    https://www.lxlinux.net/e/stm32/w25q128-tutorial.html

    如果你是嵌入式开发小白，那么建议你先读读下面几篇文章。

    往期教程，有兴趣的小伙伴可以看看。

    作者简介
    大家好，我是良许，博客里所有的文章皆为我的原创。
    下面是我的一些个人介绍，欢迎交个朋友：
    · 211工科硕士，国家奖学金获得者；
    · 深耕嵌入式11年，前世界500强外企高级嵌入式工程师；
    · 书籍《速学Linux作者》，机械工业出版社专家委员会成员；
    · 全网60W粉丝，博客分享大量原创成体系文章，全网阅读量累计超4000万；
    · 靠自媒体连续年入百万，靠自己买房买车。

    我本科及硕士都是学机械，通过自学成功进入世界500强外企。我已经将自己的学习经验写成了一本电子书，超千人通过此书学习并转行成功。现在将这本电子书免费分享给大家，希望对你们有帮助：

    电子书链接：https://www.lxlinux.net/1024.html

    2. W25Q128介绍

    2.1 W25Q128型号介绍

    W25Q128是华邦公司推出的一款容量为 128M-bit（相当于 16M-byte）的 SPI 接口的 NOR Flash 芯片。

    给大家解释一下新单词：

    • NOR Flash：一种非易失性存储器，它可以在断电或掉电后仍然保持存储的数据，因此被广泛应用于长期数据存储。它具有容量大，可重复擦写、按“扇区/块”擦除的特性。Flash 是有一个物理特性：只能写 0 ，不能写 1 ，写 1 靠擦除。

    它还有很多不同容量的好兄弟：

    型号容量
    W25Q256256M bits = 32M bytes
    W25Q128128M bits = 16M bytes
    W25Q6464M bits = 8M bytes
    W25Q3232M bits = 4M bytes
    W25Q1616M bits = 2M bytes
    W25Q808M bits = 1M bytes

    2.2 W25Q128模块参数及引脚介绍

    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。下面我介绍的是我们自绘的 W25Q128 模块。

    W25Q128参数：

    • 产品容量：128M-bit（16M-byte）
    • 时钟频率：<=104MHz
    • 工作电压：2.7V ~ 3.6V
    • 工作温度：-40℃ ~ +85℃
    • 支持 SPI 接口

    参考接线如下：

    W25Q128STM32备注
    VCC3.3电源正极
    CSA4/B12片选信号
    DOA6/B14输出
    GNDG电源负极
    CLKA5/B13时钟信号
    DIA7/B15输入

    如果你对引脚介绍有点懵，没关系，看看下面的 SPI 介绍你就明白了。

    2.3 W25Q128存储架构

    W25Q128 将 16M 的容量分为 256 个块（block），每块 64K 字节；每块分为 16 个扇区（sector），一扇区 4K 字节；每扇区分为 16 个页（page），一页 256 字节。

    W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。这样我们需要给 W25Q128 开辟一个至少 4K 的缓存区。

    2.4 W25Q128常用指令

    W25Q128 有非常多的指令，这里我们只介绍几个指令。

    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

    具体工作时序如下：

    写使能 (06H)

    执行页写，扇区擦除，块擦除，片擦除，写状态寄存器等指令前，需要写使能。

    拉低 CS 片选 → 发送 06H → 拉高 CS 片选

    读SR1（05H）

    拉低 CS 片选 → 发送 05H → 返回SR1的值 → 拉高 CS 片选

    读数据（03H）

    拉低 CS 片选 → 发送 03H → 发送24位地址 → 读取数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

    页写 (02H)

    页写命令最多可以向FLASH传输256个字节的数据。

    拉低 CS 片选 → 发送 02H → 发送24位地址 → 发送数据（1~n）→ 拉高 CS 片选

    扇区擦除（20H）

    写入数据前，检查内存空间是否全部都是 0xFF ，不满足需擦除。

    拉低 CS 片选 → 发送 20H→ 发送24位地址 → 拉高 CS 片选

    2.5 W25Q128状态寄存器

    W25Q128 一共有 3 个状态寄存器，它们的作用是跟踪芯片的状态。

    这里我们只介绍常用的状态寄存器 1：

    我不过多介绍了，感兴趣的小伙伴可以去看芯片手册。

    我们需要记住的是在状态寄存器 1 中：

    BUSY：指示当前的状态，0 表示空闲；1 表示忙碌。

    WEL：写使能锁定，为 1 时，可以操作页/扇区/块；为 0 时，写禁止。

    3. SPI介绍

    SPI（Serial Peripheral Interface）串行外设接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，仅使用四根线来连接芯片的管脚，节省了管脚和PCB布局空间。由于其简单易用的特性，越来越多的芯片集成了SPI通信协议。

    3.1 SPI物理架构

    SPI 工作模式：

    SPI 通信分为主设备（Master）和从设备（Slave）。一个完整的 SPI 通信系统需要包含一个主设备和一个或多个从设备。主设备提供时钟信号，从设备接收时钟信号。所有的读写操作都由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

    SPI 是全双工，并且没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过 10Mbps。

    SPI 信号线：

    SPI 一般使用四条信号线通信：

    • SCLK（Serial Clock）：时钟信号线，由主设备提供并驱动整个通信过程。
    • MOSI（Master Output，Slave Input）：主设备输出、从设备输入线，主设备向从设备发送数据。
    • MISO（Master Input，Slave Output）：主设备输入、从设备输出线，从设备向主设备发送数据。
    • SS/CS（Slave Select / Chip Select）：片选信号线，由主设备控制从设备的选中状态。拉低表示选中。

    示意图如下：

    3.2 SPI工作原理

    SPI 通信中，主机和从机都有一个串行移位寄存器。主机通过向自己的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起传输。

    1. 首先，拉低相应的 SS 信号线，表示与特定的从机进行通信。
    2. 主机通过发送 SCLK 时钟信号告诉从机进行数据的读写操作。
    3. 注意，SCLK 时钟信号可以是低电平有效或高电平有效，因为SPI有不同的模式（下文将介绍）。
    4. 主机将要发送的数据写入发送数据缓冲区，然后通过移位寄存器逐位地将数据传输给从机的串行移位寄存器，使用 MOSI 信号线进行传输。同时，从机的 MISO 接口接收到的数据也经过移位寄存器一位一位地移到接收缓冲区。
    5. 从机也通过 MISO 信号线将自己串行移位寄存器中的内容返回给主机。同时，从机通过 MOSI 信号线接收主机发送的数据。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

    SPI通信只有主模式和从模式，没有明确的读和写操作之分。实际上，外设的写操作和读操作是同步完成的。在SPI通信中，发送一个数据必然会收到一个数据；如果要接收一个数据，就必须先发送一个数据。

    如果只进行写操作，主机可以忽略从设备传输过来的字节，因为主机不需要接收数据。

    如果主机要读取从设备的一个字节，那么主机必须发送一个空字节来引发从设备的传输。

    3.3 SPI工作模式

    SPI 有4种不同的工作模式。

    从设备的 SPI 模式是厂家设定的，不可变。但主从设备必须在同一工作模式下才能正常工作。所以我们可以设置主设备的 SPI 模式。

    那怎么设置呢？通过 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）来控制，具体如下：

    CPOL（时钟极性）定义了时钟空闲状态电平：

    • CPOL=0，表示当 SCLK=0 时处于空闲态，所以有效状态就是 SCLK 处于高电平时。
    • CPOL=1，表示当 SCLK=1 时处于空闲态，所以有效状态就是 SCLK 处于低电平时。

    CPHA（时钟相位）定义数据的采集时间：

    • CPHA=0，SCLK 的第一个（奇数）边沿进行数据位采样。数据在第一个时钟边沿被锁存，在第二个边沿发送数据。
    • CPHA=1，SCLK 的第二个（偶数）边沿进行数据位采样。数据在第二个时钟边沿被锁存，在第一个边沿发送数据。

    总结如下表：

    SPI 模式CPOLCPHA空闲时 SCK 时钟采样边沿采样时刻
    000低电平上升沿奇数边沿
    101低电平下降沿偶数边沿
    210高电平下降沿奇数边沿
    311高电平上升沿偶数边沿

    四个模式的时序图如下，方便大家理解。绿线表示开始与结束，黄线表示数据采样，蓝线表示数据发送。

    1.模式0（常用）CPOL = 0，CPHA = 0。

    空闲时 SCLK 为低电平，采样时刻为第一个边沿，即上升沿。

    2.模式1CPOL = 0，CPHA = 1。

    空闲时 SCLK 为低电平，采样时刻为第二个边沿，即下降沿。

    3.模式2，CPOL = 1，CPHA = 0。

    空闲时 SCLK 为高电平，采样时刻为第一个边沿，即上升沿。

    4.模式3（常用），CPOL = 1，CPHA = 1。

    空闲时 SCLK 为高电平，采样时刻为第二个边沿，即上升沿。

    4. 编程实战

    实战目标：使用 SPI 通讯读写 W25Q128 模块。

    4.1 硬件接线

    本教程使用的硬件如下：

    • W25Q128 模块
    • 单片机：STM32F103C8T6
    • 串口：USB 转 TTL
    • 烧录器：ST-LINK V2
    W25Q128STM32USB 转 TTL
    VCC3.3
    CSA4
    CLKA5
    DOA6
    DIA7
    A10TX
    A9RX
    GGND

    烧录的时候接线如下表，如果不会烧录的话可以看我之前的文章【STM32下载程序的五种方法】。

    ST-Link V2STM32
    SWCLKSWCLK
    SWDIOSWDIO
    GNDGND
    3.3V3V3

    接好如下图。开发板使用的是我们自绘的板子。大家也可以用自己的板子，只要是 STM32F103C8T6 主控芯片就行。

    4.2 SPI初始化

    SPI 的工作模式我们配置为 0，即 CPOL = 0，CPHA = 0。

    STM32F1系列的 SPI 接口有两个，SPI1 和 SPI2，这里我们选择 SPI1，引脚对应关系如下：

    void SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;              /* CPOL = 0 */
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;                  /* CPHA = 0 */
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    if(spiHandle->Instance==SPI1)
    {
    __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();                            /* SPI1时钟使能 */

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /*
        PA4     ------> SPI1_CS
        PA5     ------> SPI1_SCK
        PA6     ------> SPI1_MISO
        PA7     ------> SPI1_MOSI
    */

    GPIO_InitStruct.Pin = W25Q128_CS_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(W25Q128_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_7;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    }
}

    4.3 SPI读写一个字节

    我们利用 HAL 库的 SPI 数据发送和接收函数 HAL_SPI_TransmitReceive 来读写一个字节。

    函数原型：HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)。

    参数说明：

    • hspi：指向SPI外设的句柄（handle）。
    • pTxData：要发送的数据缓冲区指针。
    • pRxData：接收数据的缓冲区指针。
    • Size：要发送/接收的数据字节数。
    • Timeout：超时时间，以毫秒为单位。

    根据 SPI 的工作原理，我们发送一个字节的 data，得到一个字节的 rec_data。后续如果我们只需要读取一个字节，就发送一个无意义的 0xFF。

    uint8_t read_write_one_byte(uint8_t data)
{
    uint8_t rec_data = 0;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &data, &rec_data, 1, 1000);
    return rec_data;
}

    4.4 W25Q128初始化

    初始化我们做个小检测，确保这个芯片是 W25Q128，而不是 W25Q64 或者 W25Q32。W25Q128 的芯片号是 0XEF17，从哪来的呢，当然是芯片手册啦。

    void w25q128_init(void)
{
    uint16_t flash_type;
    read_write_one_byte(0xFF);                      /* 清除DR的作用 */
    W25Q128_CS(1);                                  /* 拉高片选 */
    flash_type = w25q128_read_id();                 /* 读取FLASH ID. */
    if (flash_type == 0XEF17)                       /* FLASH芯片号0XEF17 */
        printf("检测到W25Q128芯片\r\n");
}

uint16_t w25q128_read_id(void)
{
    uint16_t deviceid;

    W25Q128_CS(0);                                  /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_ManufactDeviceID);    /* 发送读 ID 命令 0x90 */
    read_write_one_byte(0);                         /* 写入三个0 */
    read_write_one_byte(0);
    read_write_one_byte(0);
    deviceid = read_write_one_byte(0xFF) << 8;      /* 读取高8位字节 */
    deviceid |= read_write_one_byte(0xFF);          /* 读取低8位字节 */
    W25Q128_CS(1);                                  /* 拉高片选 */

    return deviceid;
}

    4.5 W25Q128等待空闲

    前面我们提到状态寄存器 1 中 BUSY 是指示当前的状态，0 表示空闲；1 表示忙碌。

    所以我们读取 W25Q128 的状态寄存器 1 的值，

    static void w25q128_wait_busy(void)
{
    while ((w25q128_rd_sr1() & 0x01) == 0x01);      /* 等待BUSY位为0 */
}

uint8_t w25q128_rd_sr1(void)
{
    uint8_t rec_data = 0;

    W25Q128_CS(0);                                 /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_ReadStatusReg1);     /* 读状态寄存器1 0x05 */
    rec_data = read_write_one_byte(0xFF);
    W25Q128_CS(1);                                 /* 拉高片选 */

    return rec_data;
}

    4.6 W25Q128写使能

    写入数据/擦除之前必须写使能。

    按照 W25Q128 写使能的工作时序：拉低 CS 片选 → 发送 06H → 拉高 CS 片选，编写代码。

    void w25q128_write_enable(void)
{
    W25Q128_CS(0);                                 /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_WriteEnable);        /* 发送写使能 0x06 */
    W25Q128_CS(1);                                 /* 拉高片选 */
}

    4.7 W25Q128发送地址

    read_write_one_byte 一次发送一字节数据，而 W25Q128 的地址有三字节，所以我们分三次发送。

    static void w25q128_send_address(uint32_t address)
{
    read_write_one_byte((uint8_t)((address)>>16));     /* 发送 bit23 ~ bit16 地址 */
    read_write_one_byte((uint8_t)((address)>>8));      /* 发送 bit15 ~ bit8  地址 */
    read_write_one_byte((uint8_t)address);             /* 发送 bit7  ~ bit0  地址 */
}

    4.8 W25Q128擦除一个扇区

    传参 saddr 表示要擦除第几扇区，注意我们计算机是从0开始数数哦。剩下就是按工作时序写理论，注释写的很清楚啦，不多讲。

    void w25q128_erase_sector(uint32_t saddr)
{
    saddr *= 4096;                  /* 一扇区4096字节 */
    w25q128_write_enable();         /* 写使能 */
    w25q128_wait_busy();            /* 等待空闲 */

    W25Q128_CS(0);                  /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_SectorErase);    /* 发送扇区擦除命令 0x20 */
    w25q128_send_address(saddr);    /* 发送地址 */
    W25Q128_CS(1);                  /* 拉高片选 */
    w25q128_wait_busy();            /* 等待扇区擦除完成 */
}

    4.9 W25Q128页写和读数据

    传参 pbuf ：要写入/读取的数据，addr：开始写入的地址，datalen：字节数。剩下就是按工作时序写理论，注释写的很清楚啦，不多讲。

    void w25q128_write_page(uint8_t *pbuf, uint32_t addr, uint16_t datalen)
{
    uint16_t i;

    w25q128_write_enable();                        /* 写使能 */

    W25Q128_CS(0);                                 /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_PageProgram);        /* 发送页写命令 0x02*/
    w25q128_send_address(addr);                    /* 发送地址 */

    for(i=0;i<datalen;i++)
    {
        read_write_one_byte(pbuf[i]);              /* 循环写入 */
    }

    W25Q128_CS(1);                                 /* 拉高片选 */
    w25q128_wait_busy();                           /* 等待写入结束 */
}

void w25q128_read(uint8_t *pbuf, uint32_t addr, uint16_t datalen)
{
    uint16_t i;

    W25Q128_CS(0);                                 /* 拉低片选 */
    read_write_one_byte(FLASH_ReadData);           /* 发送读取命令 0x03 */
    w25q128_send_address(addr);                    /* 发送地址 */
    
    for(i=0;i<datalen;i++)
    {
        pbuf[i] = read_write_one_byte(0XFF);       /* 循环读取 */
    }
    
    W25Q128_CS(1);                                 /* 拉高片选 */
}

    4.10 主函数

    我们向 W25Q128 写入一句“良许 嵌入式”，然后读出。

    int main(void)
{
    uint8_t datatemp[TEXT_SIZE];
    
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);                 /* 串口初始化，波特率115200 */

    printf("SPI通讯读写W25Q128模块...\r\n");
    SPI1_Init();
    w25q128_init();

    /* 写入数据 */
    sprintf((char *)datatemp, "良许 嵌入式");
    w25q128_erase_sector(0);                            /* 擦除第一个扇区 */
    w25q128_write_page(datatemp, 0x00000, TEXT_SIZE);   /* 从第0位开始写 */
    printf("数据写入完成！\r\n");

    /* 读出数据 */
    memset(datatemp, 0, TEXT_SIZE);
    w25q128_read(datatemp, 0x00000, TEXT_SIZE);         /* 从第0位开始读 */
    printf("读出数据：%s\r\n", datatemp);

    while(1)
    {

    }
}

    4.11 最终效果

    串口输出如下：

    5. 小结

    细心的小伙伴会发现我只是简单的写页、读数据、擦扇区。一页有256字节，那如果我第一页只写了50字节，又去第二页写100字节，这不是很浪费存储空间吗。不是我不会更完善的代码，源码我都藏着呢，只是作为入门教程这样的程度刚刚好，剩下的进阶优化就留作课后作业吧。

    感谢各位看官，peace and love！

    另外，想进大厂的同学，一定要好好学算法，这是面试必备的。这里准备了一份 BAT 大佬总结的 LeetCode 刷题宝典，很多人靠它们进了大厂。

    刷题 | LeetCode算法刷题神器，看完 BAT 随你挑！

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