SPI — 读写 W25Q Flash

难度: ⭐⭐（需要了解 SPI 基本概念）
固件库: AT32F403A_407_Firmware_Library V2.2.2
源文件: project/at_start_f403a/examples/spi/w25q_flash/src/main.c

这个实验是干嘛的？

MCU 内部的 Flash 空间有限（几百 KB），存不下大文件（字库、图片、音频）。这时候就需要外部 Flash 芯片。

W25Q 系列是最常用的 SPI Flash，容量从 1MB 到 256MB 都有，价格便宜（几毛钱），接口简单（4 根线）。

本实验做的事情：

通过 SPI 读取 Flash 芯片的 ID（确认芯片存在且型号正确）
擦除一个扇区（Flash 必须先擦后写）
写入 512 字节测试数据
读回数据并与原始数据比对
数据一致 → LED 亮（成功），不一致 → LED 灭（失败）

硬件准备

你需要一个 W25Q Flash 模块（淘宝几块钱）：

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开发板          W25Q 模块
  PA4 (CS)  ──→  CS
  PA5 (SCK) ──→  CLK
  PA6 (MISO)←──  DO
  PA7 (MOSI)──→  DI
  3.3V      ──→  VCC
  GND       ──→  GND

注意：

CS 是片选信号，拉低选中芯片
SPI 通信必须共地
W25Q 供电 3.3V，不要接 5V

SPI 基础知识

SPI 是一种同步、全双工的串行通信接口，只需要 4 根线：

信号	全称	方向	说明
SCK	Serial Clock	主→从	时钟信号，主机产生
MOSI	Master Out Slave In	主→从	主机发数据给从机
MISO	Master In Slave Out	从→主	从机发数据给主机
CS	Chip Select	主→从	片选，拉低选中从机

SPI 的特点：

速度比 I2C 快得多（可达几十 MHz）
全双工：主机和从机可以同时收发
每个从机需要一根独立的 CS 线

完整代码

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#include "at32f403a_407_board.h"
#include "at32f403a_407_clock.h"
#include "spi_flash.h"    // W25Q 驱动（官方封装好的）

/* 测试地址和缓冲区大小 */
#define FLASH_TEST_ADDR    0x1000    // 测试起始地址
#define BUF_SIZE           0x256     // 512 字节

uint8_t tx_buffer[BUF_SIZE];   // 发送缓冲区
uint8_t rx_buffer[BUF_SIZE];   // 接收缓冲区
volatile error_status transfer_status = ERROR;

/* 填充测试数据：0x00, 0x01, 0x02, ... 0xFF */
void tx_data_fill(void)
{
  uint32_t i;
  for(i = 0; i < BUF_SIZE; i++)
  {
    tx_buffer[i] = i;
  }
}

/* 缓冲区比对 */
error_status buffer_compare(uint8_t* p1, uint8_t* p2, uint16_t len)
{
  while(len--)
  {
    if(*p1 != *p2) return ERROR;
    p1++;
    p2++;
  }
  return SUCCESS;
}

int main(void)
{
  __IO uint32_t flash_id = 0;

  system_clock_config();
  at32_board_init();
  tx_data_fill();
  uart_print_init(115200);

  /* ===== 第一步：初始化 SPI Flash ===== */
  spiflash_init();

  /* ===== 第二步：读取芯片 ID ===== */
  flash_id = spiflash_read_id();

  /* 验证 ID 是否是 W25Q 系列 */
  if(flash_id != W25Q128 && flash_id != W25Q64 &&
     flash_id != W25Q32  && flash_id != W25Q16 && flash_id != W25Q80)
  {
    printf("flash id check error! id: %x\r\n", flash_id);
    // LED 快闪报错
    for(int i = 0; i < 50; i++)
    {
      at32_led_toggle(LED2);
      at32_led_toggle(LED3);
      delay_ms(200);
    }
    return 1;
  }
  else
  {
    printf("flash id check success! id: %x\r\n", flash_id);
  }

  /* ===== 第三步：擦除扇区 ===== */
  // Flash 必须先擦后写！擦除后所有字节变成 0xFF
  spiflash_sector_erase(FLASH_TEST_ADDR / SPIF_SECTOR_SIZE);

  /* ===== 第四步：写入数据 ===== */
  spiflash_write(tx_buffer, FLASH_TEST_ADDR, BUF_SIZE);

  /* ===== 第五步：读回数据 ===== */
  spiflash_read(rx_buffer, FLASH_TEST_ADDR, BUF_SIZE);

  /* 打印读到的数据 */
  printf("Read Data: ");
  for(int i = 0; i < BUF_SIZE; i++)
  {
    printf("%x ", rx_buffer[i]);
  }

  /* ===== 第六步：比对验证 ===== */
  transfer_status = buffer_compare(rx_buffer, tx_buffer, BUF_SIZE);

  if(transfer_status == SUCCESS)
  {
    printf("\r\nflash data read write success!\r\n");
    at32_led_on(LED2);   // LED2 亮 = 成功
  }
  else
  {
    printf("\r\nflash data read write ERROR!\r\n");
    at32_led_off(LED2);  // LED2 灭 = 失败
  }

  while(1) {}
}

代码分段讲解

1. 初始化 SPI Flash

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spiflash_init();

这行做了什么：

配置 SPI1 为主机模式
配置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）—— W25Q 要求 CPOL=0, CPHA=0
配置 CS 引脚（PA4）为 GPIO 输出
拉高 CS（不选中芯片）

2. 读取芯片 ID

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flash_id = spiflash_read_id();

每个 W25Q 芯片都有一个唯一的制造商 ID + 设备 ID：

W25Q80 → 0xEF14
W25Q16 → 0xEF15
W25Q32 → 0xEF16
W25Q64 → 0xEF17
W25Q128 → 0xEF18

读 ID 的命令是 0x90，SPI 时序：

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主机发送: [0x90] [0x00] [0x00] [0x00] [dummy] [dummy]
从机返回: [dummy] [dummy] [dummy] [dummy] [制造商ID] [设备ID]

3. 擦除扇区

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spiflash_sector_erase(FLASH_TEST_ADDR / SPIF_SECTOR_SIZE);

Flash 的铁律：必须先擦后写！

Flash 只能把 1 写成 0，不能把 0 写成 1。所以写之前必须先擦除（把所有位变成 1 = 0xFF）。

W25Q 的最小擦除单位是扇区（4KB）。擦除命令是 0x20。

4. 写入数据

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spiflash_write(tx_buffer, FLASH_TEST_ADDR, BUF_SIZE);

写入流程：

发送写使能命令（0x06）— 必须先使能才能写
发送页编程命令（0x02）+ 地址 + 数据
等待写入完成（读状态寄存器，等 BUSY 位清零）

注意：W25Q 一次最多写 256 字节（一页），跨页需要分多次写。

5. 读取数据

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spiflash_read(rx_buffer, FLASH_TEST_ADDR, BUF_SIZE);

读取最简单：发送读命令（0x03）+ 地址，然后持续读取数据。没有长度限制。

实验现象

串口输出：

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flash id check success! id: ef16
Read Data: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 10 11 ...
flash data read write success!

LED2 亮起表示读写成功
如果 LED 快闪，说明芯片 ID 读取失败（接线问题）

常见问题

Q: 读到的 ID 是 0x0000 或 0xFFFF？

检查接线：CS、SCK、MOSI、MISO 是否正确
检查供电：W25Q 需要 3.3V
检查 SPI 模式：CPOL=0, CPHA=0

Q: 写入后读出来的数据不对？

是否先擦除了？Flash 必须先擦后写
擦除后检查是否全为 0xFF
写入地址是否对齐（扇区边界 4KB 对齐）

Q: 想存储大文件怎么办？

Flash 文件系统：FatFs + SPI Flash
或者简单方案：固定地址存储，自己管理地址分配

小结

概念	说明
SPI	高速同步串行接口，4 线制
W25Q	最常用的 SPI Flash 芯片
先擦后写	Flash 的铁律，擦除后全为 0xFF
扇区	最小擦除单位，W25Q 是 4KB
页写入	一次最多写 256 字节

学了 SPI 能做什么？

SPI 是连接"高速外设"的主力接口：

存储与显示

项目	原理	难度
字库存储	中文字库烧录到 W25Q，LCD 显示中文	⭐⭐⭐
图片存储	BMP/JPG 图片存 Flash，LCD 显示	⭐⭐⭐
数据记录	传感器数据存 Flash，掉电不丢失	⭐⭐
固件升级	新固件存 Flash，IAP 从 Flash 加载运行	⭐⭐⭐⭐
LCD 驱动	SPI 接口的 TFT LCD（ST7735、ILI9341）	⭐⭐⭐
OLED 显示	SPI 接口的 OLED 屏（SSD1306）	⭐⭐

传感器与通信

项目	原理	难度
SD 卡读写	SPI 模式访问 SD 卡，实现大容量存储	⭐⭐⭐
加速度计	SPI 接口的 MEMS 传感器（MPU6050）	⭐⭐⭐
LoRa 通信	SPI 接口的 LoRa 模块（SX1278）	⭐⭐⭐⭐
以太网	SPI 接口的以太网芯片（W5500）	⭐⭐⭐⭐
CAN 控制器	SPI 接口的 CAN 芯片（MCP2515）	⭐⭐⭐

核心思路：SPI 的核心优势是速度快。Flash、LCD、传感器这些需要大量数据传输的外设，几乎都用 SPI。掌握了 SPI，你就打开了连接各种高速外设的大门。

下一步：学会了 SPI，可以学 I2C 读写 EEPROM，了解另一种常用的低速通信总线。

AT32 SPI — 读写 W25Q Flash（外部存储芯片）

AT32F403A SPI 接口读写 W25Q 系列 Flash 芯片，学会 SPI 通信和外部存储操作