13. SPI 协议

📝本节您将了解 SPI 总线通信协议的原理，学习如何配置 MSPM0G3519 的硬件 SPI 外设，并通过天巧星板载 W25Q64 Flash 芯片进行读写验证。

🏆本章目标

1️⃣ 理解 SPI 总线的通信原理和四种工作模式

2️⃣ 了解 MSPM0G3519 的 SPI 硬件外设资源

3️⃣ 通过 SysConfig 配置硬件 SPI

4️⃣ 实现与 W25Q64 Flash 的基础读写通信

13.1 SPI 总线介绍

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行全双工通信协议，用于 MCU 与外设之间的高速数据传输。相比 I2C，SPI 速率更高、协议更简单，但需要更多信号线。

SPI vs I2C 对比

特性	SPI	I2C
信号线	4 根（MOSI/MISO/SCLK/CS）	2 根（SDA/SCL）
通信方式	全双工	半双工
速率	可达数十 MHz	通常 100k~400kHz
寻址方式	硬件片选（CS）	软件地址
多设备	每设备独立 CS 线	共享总线，地址区分
复杂度	协议简单，硬件多线	协议复杂，硬件简单

信号线定义

信号	全称	方向	说明
MOSI	Master Out Slave In	主→从	主机发送数据
MISO	Master In Slave Out	从→主	主机接收数据
SCLK	Serial Clock	主→从	时钟信号，主机产生
CS/NSS	Chip Select	主→从	片选，低电平有效

硬件连接

MCU (主机)          W25Q64 (从机)
  MOSI  ──────────→  DI (数据输入)
  MISO  ←──────────  DO (数据输出)
  SCLK  ──────────→  CLK (时钟)
  CS    ──────────→  CS  (片选，低有效)

13.2 SPI 工作模式

SPI 有 4 种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

模式	CPOL	CPHA	说明
Mode 0	0	0	空闲低电平，第一个边沿采样
Mode 1	0	1	空闲低电平，第二个边沿采样
Mode 2	1	0	空闲高电平，第一个边沿采样
Mode 3	1	1	空闲高电平，第二个边沿采样

CPOL（Clock Polarity）：时钟空闲时的电平。0=低电平，1=高电平
CPHA（Clock Phase）：数据采样边沿。0=第一个跳变沿，1=第二个跳变沿

W25Q64 的 SPI 模式

W25Q64 支持 Mode 0 和 Mode 3。本教程使用 Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）。

13.3 天巧星 SPI 资源

天巧星板载 W25Q64 Flash 通过 SPI1 连接：

SPI1 信号	引脚	连接
CS	PB6	W25Q64 片选
MISO	PB7	W25Q64 数据输出
MOSI	PB8	W25Q64 数据输入
SCLK	PB9	W25Q64 时钟

W25Q64 规格：

容量：64Mbit（8MB）
最高 SPI 时钟：20MHz（天巧星设计）
页大小：256 Bytes
扇区大小：4KB
块大小：64KB

13.4 SysConfig 配置硬件 SPI

13.4.1 添加 SPI 外设

打开 .syscfg 文件
左侧面板找到 SPI 选项卡
点击 ADD 添加 SPI 实例

13.4.2 配置参数

参数	设置值	说明
Name	`SPI_1`	实例名称
SPI Module	`SPI1`	选择 SPI1
Mode	`Controller (Master)`	主机模式
Bit Order	`MSB First`	高位先发
Clock Polarity	`Low (CPOL=0)`	空闲低电平
Clock Phase	`First Edge (CPHA=0)`	第一个边沿采样
Bit Rate	`4000000`	4MHz（保守值）
Data Size	`8 Bits`	8 位数据帧
Chip Select	`Software`	软件控制 CS

13.4.3 配置引脚

信号	引脚
MOSI	PB8
MISO	PB7
SCLK	PB9

CS（PB6）使用 GPIO 软件控制，单独配置为 GPIO 输出：

参数	设置值
Port	PORTB
Pin	6
Direction	Output
Initial Value	High（CS 默认高，不选中）

保存并编译。

为什么用软件 CS

硬件 CS 在每个字节传输间会自动释放（拉高），而 W25Q64 的很多操作需要在多字节传输过程中保持 CS 为低。使用软件控制 CS 可以精确控制片选时序。

13.5 SPI 相关函数

常用 SPI DriverLib 函数

发送并接收一个字节：

uint8_t DL_SPI_transmitData8(SPI_Regs *spi, uint8_t data);
uint8_t DL_SPI_receiveData8(SPI_Regs *spi);

检查收发状态：

bool DL_SPI_isBusy(SPI_Regs *spi);
bool DL_SPI_isRXFIFOEmpty(SPI_Regs *spi);
bool DL_SPI_isTXFIFOEmpty(SPI_Regs *spi);

13.6 SPI 通信封装

13.6.1 基础收发函数

#include "ti_msp_dl_config.h"

// CS 控制
#define SPI_CS_LOW()   DL_GPIO_clearPins(GPIO_SPI_CS_PORT, GPIO_SPI_CS_PIN_CS_PIN)
#define SPI_CS_HIGH()  DL_GPIO_setPins(GPIO_SPI_CS_PORT, GPIO_SPI_CS_PIN_CS_PIN)

// SPI 收发一个字节（全双工：发送同时接收）
uint8_t spi_transfer(uint8_t tx_data)
{
    // 等待发送 FIFO 有空间
    while (DL_SPI_isBusy(SPI_1_INST));

    // 发送数据
    DL_SPI_transmitData8(SPI_1_INST, tx_data);

    // 等待接收完成
    while (DL_SPI_isRXFIFOEmpty(SPI_1_INST));

    // 读取接收数据
    return DL_SPI_receiveData8(SPI_1_INST);
}

// 只发送不关心接收（写操作时用）
void spi_write_byte(uint8_t data)
{
    spi_transfer(data);
}

// 只接收（发送 0xFF 作为时钟驱动）
uint8_t spi_read_byte(void)
{
    return spi_transfer(0xFF);
}

13.7 W25Q64 基础操作

13.7.1 W25Q64 常用命令

命令	指令码	说明
Read ID	0x9F	读取芯片 ID（验证通信）
Read Data	0x03	读取数据
Page Program	0x02	页编程（写入，最多 256B）
Sector Erase	0x20	扇区擦除（4KB）
Write Enable	0x06	写使能（写/擦除前必须执行）
Read Status	0x05	读状态寄存器（判断忙/空闲）

13.7.2 读取芯片 ID

验证 SPI 通信是否正常的最快方式：

#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

// 读取 W25Q64 的 JEDEC ID
uint32_t w25q_read_id(void)
{
    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x9F);           // Read JEDEC ID 命令
    uint8_t mfr = spi_read_byte();  // 厂商 ID
    uint8_t mem = spi_read_byte();  // 存储器类型
    uint8_t cap = spi_read_byte();  // 容量
    SPI_CS_HIGH();

    return ((uint32_t)mfr << 16) | ((uint32_t)mem << 8) | cap;
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    char buf[64];
    uint32_t id = w25q_read_id();

    // W25Q64 的 JEDEC ID 应为 0xEF4017
    sprintf(buf, "Flash ID: 0x%06lX\r\n", id);
    uart_send_string(buf);

    if (id == 0xEF4017) {
        uart_send_string("W25Q64 detected OK!\r\n");
    } else {
        uart_send_string("Error: unexpected ID\r\n");
    }

    while (1) { __WFI(); }
}

W25Q64 ID 说明

厂商 ID：0xEF（Winbond）
存储器类型：0x40
容量代码：0x17（2^23 = 8MB = 64Mbit）
完整 JEDEC ID：0xEF4017

如果读到 0x000000 或 0xFFFFFF，说明 SPI 通信异常——检查接线和 SysConfig 配置。

13.7.3 等待 Flash 空闲

Flash 的写入和擦除操作需要时间，操作期间芯片处于忙状态：

// 等待 Flash 空闲
void w25q_wait_busy(void)
{
    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x05);  // Read Status Register
    while (spi_read_byte() & 0x01);  // bit0 = BUSY
    SPI_CS_HIGH();
}

// 写使能（写/擦除操作前必须调用）
void w25q_write_enable(void)
{
    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x06);  // Write Enable
    SPI_CS_HIGH();
}

13.7.4 扇区擦除

Flash 的特性：写入前必须先擦除（将数据位从 0 恢复为 1）。最小擦除单位为一个扇区（4KB）。

// 擦除指定地址所在的 4KB 扇区
void w25q_sector_erase(uint32_t addr)
{
    w25q_write_enable();

    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x20);              // Sector Erase 命令
    spi_write_byte((addr >> 16) & 0xFF);  // 地址高 8 位
    spi_write_byte((addr >> 8) & 0xFF);   // 地址中 8 位
    spi_write_byte(addr & 0xFF);          // 地址低 8 位
    SPI_CS_HIGH();

    w25q_wait_busy();  // 等待擦除完成（典型 45ms）
}

13.7.5 页编程（写入）

Flash 写入以页为单位，每页 256 字节。单次写入不能跨页。

// 页编程：向指定地址写入数据（单次最多 256 字节，不跨页）
void w25q_page_program(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    if (len > 256) len = 256;

    w25q_write_enable();

    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x02);              // Page Program 命令
    spi_write_byte((addr >> 16) & 0xFF);
    spi_write_byte((addr >> 8) & 0xFF);
    spi_write_byte(addr & 0xFF);

    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        spi_write_byte(data[i]);
    }
    SPI_CS_HIGH();

    w25q_wait_busy();  // 等待写入完成（典型 0.7ms）
}

13.7.6 读取数据

// 从指定地址读取数据（无长度限制）
void w25q_read_data(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
    SPI_CS_LOW();
    spi_write_byte(0x03);              // Read Data 命令
    spi_write_byte((addr >> 16) & 0xFF);
    spi_write_byte((addr >> 8) & 0xFF);
    spi_write_byte(addr & 0xFF);

    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        data[i] = spi_read_byte();
    }
    SPI_CS_HIGH();
}

13.8 实验：Flash 读写验证

完整实验——擦除扇区、写入数据、读回验证：

#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    char buf[64];

    // 1. 读取 ID 验证通信
    uint32_t id = w25q_read_id();
    sprintf(buf, "Flash ID: 0x%06lX\r\n", id);
    uart_send_string(buf);

    // 2. 擦除第 0 扇区（地址 0x000000）
    uart_send_string("Erasing sector 0...\r\n");
    w25q_sector_erase(0x000000);
    uart_send_string("Erase done.\r\n");

    // 3. 写入测试数据
    uint8_t write_buf[] = "Hello Tianqiaoxing W25Q64!";
    uint16_t data_len = strlen((char *)write_buf) + 1;

    uart_send_string("Writing data...\r\n");
    w25q_page_program(0x000000, write_buf, data_len);
    uart_send_string("Write done.\r\n");

    // 4. 读回验证
    uint8_t read_buf[64] = {0};
    w25q_read_data(0x000000, read_buf, data_len);

    sprintf(buf, "Read back: %s\r\n", read_buf);
    uart_send_string(buf);

    // 5. 对比
    if (memcmp(write_buf, read_buf, data_len) == 0) {
        uart_send_string("Verify OK! Data match.\r\n");
    } else {
        uart_send_string("Verify FAILED! Data mismatch.\r\n");
    }

    while (1) { __WFI(); }
}

运行结果：串口输出 Flash ID、写入确认、读回的字符串，以及验证结果。

13.9 Flash 使用注意事项

注意

先擦后写：Flash 只能将 bit 从 1 写为 0，不能从 0 写为 1。写入前必须擦除目标区域。
页对齐：页编程不能跨越 256 字节页边界。例如从地址 200 开始写 100 字节，实际只能写 56 字节（200~255），剩余需要写入下一页。
擦除粒度：最小擦除单位为 4KB 扇区。擦除会将整个扇区全部置为 0xFF。
写入寿命：Flash 每个扇区有写入次数限制（通常 10 万次）。频繁写同一地址会缩短寿命。
写使能：每次写入/擦除操作前必须先发送 Write Enable (0x06) 命令。
等待忙：擦除和写入是异步操作，发送命令后需轮询状态寄存器等待完成。

13.10 知识总结

内容	说明
SPI 信号	MOSI / MISO / SCLK / CS，4 线制全双工
工作模式	Mode 0~3（CPOL + CPHA 组合）
天巧星 SPI1	PB6(CS) / PB7(MISO) / PB8(MOSI) / PB9(SCLK)
板载 Flash	W25Q64，8MB，JEDEC ID 0xEF4017
操作流程	擦除 → 写使能 → 页编程 → 等忙 → 读取验证
CS 控制	软件 GPIO 控制，多字节操作期间保持低电平

至此，入门手册的 13 章核心内容全部完成。你已经掌握了 MSPM0G3519 的 GPIO、时钟、中断、UART、定时器、PWM、输入捕获、ADC、DAC、DMA、I2C、SPI 等基础外设的使用方法。接下来可以进入板载外设高阶教程，学习 OLED 显示、WS2812 RGB、无线串口等更丰富的应用。

电赛TI：简易PID入门项目

显示类

传感器类

无线通信类

控制类

13. SPI 协议 ​

13.1 SPI 总线介绍 ​

SPI vs I2C 对比 ​

信号线定义 ​

硬件连接 ​

13.2 SPI 工作模式 ​

13.3 天巧星 SPI 资源 ​

13.4 SysConfig 配置硬件 SPI ​

13.4.1 添加 SPI 外设 ​

13.4.2 配置参数 ​

13.4.3 配置引脚 ​

13.5 SPI 相关函数 ​

13.6 SPI 通信封装 ​

13.6.1 基础收发函数 ​

13.7 W25Q64 基础操作 ​

13.7.1 W25Q64 常用命令 ​

13.7.2 读取芯片 ID ​

13.7.3 等待 Flash 空闲 ​

13.7.4 扇区擦除 ​

13.7.5 页编程（写入） ​

13.7.6 读取数据 ​

13.8 实验：Flash 读写验证 ​

13.9 Flash 使用注意事项 ​

13.10 知识总结 ​