SPI 与 NOR Flash 基础

MCU 片内的 Flash 往往只有几百 KB，要存字库、参数、日志、OTA 固件副本，就得外挂一颗 SPI NOR Flash。它便宜、容量大（1MB 到 128MB 都有）、按字节随机读，非常适合嵌入式系统的片外存储。

SPI（Serial Peripheral Interface）是四线全双工总线：SCLK 时钟、MOSI 主发从收、MISO 主收从发、CS 片选。Flash 挂在 SPI 总线上，CS 拉低表示选中，一次命令由操作码加地址和数据组成。

本文核心知识点
  • 四线 SPISCLK/MOSI/MISO/CS。
  • NOR 特性按字节读、按扇区擦除。
  • 写流程写使能、擦除、页编程。
  • 掉电安全拷贝校验、双备份。

NOR 和 NAND 是两类主流 Flash。NOR 读快、随机寻址、可以直接映射执行（XIP），但擦除粒度大、写慢；NAND 容量大、按页读写，但需要坏块管理和纠错。嵌入式里存代码和配置首选 NOR，存大容量媒体数据才考虑 NAND 或 eMMC。

SPI NOR Flash 配图：深蓝渐变背景上发光的方形芯片与环形光轨，芯片连接多个文件图标光点的扁平科技插画
一颗 SPI NOR Flash，是 MCU 的片外仓库。

SPI 时序与位序

SPI 有四种模式，由 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）决定。绝大多数 SPI NOR Flash 工作在模式 0：空闲时钟为低，第一个边沿采样。主从都要配对，否则读回来的数据全是乱的。

  • CPOL=0，CPHA=0：空闲低电平，上升沿采样，模式 0，最常见。
  • CPOL=1，CPHA=1：空闲高电平，下降沿采样，模式 3，部分器件用。
  • 位序：一般 MSB 在前，命令、地址、数据都从高位开始传。
  • 时钟频率：标准 SPI 25MHz，QSPI 四线模式可到 80MHz 以上。

操作码和地址长度要看数据手册：25Q 系列读命令 0x03 是 3 字节地址，QPI 模式下还有 4 字节地址变体。写驱动前先确认器件型号和命令集，不要拿 A 家的命令去操作 B 家的片子。

初始化与读 ID

第一步先把 GPIO 和 SPI 外设配好。CS 用普通 GPIO 推挽输出即可，SCLK/MOSI/MISO 复用成 SPI 功能。

// STM32 HAL 配置 SPI1，模式 0，8 位，1MHz
SPI_HandleTypeDef hspi;
hspi.Instance = SPI1;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_32;
HAL_SPI_Init(&hspi);

// 读 JEDEC ID：命令 0x9F，返回厂商/型号/容量
uint8_t cmd = 0x9F, rx[3] = {0};
CS_LOW();
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, &cmd, &rx[0], 1, 100);
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, &cmd, &rx[1], 1, 100);
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, &cmd, &rx[2], 1, 100);
CS_HIGH();
// 0xEF 0x40 0x18 表示 Winbond W25Q128

连续传输时保持 CS 为低，命令发完紧接着发地址和数据，中间不能拉高 CS，否则器件认为命令结束。用 TransmitReceive 逐字节收发要注意：收数据时也要持续发时钟，一般发 0x00 占位。

擦除与页写入

NOR Flash 写之前必须擦除：擦除把位全部置 1，然后编程把需要的位写 0。擦除按扇区（4KB）、块（64KB）或整片进行，写入按页（256 字节）。

// 写使能 -> 扇区擦除 -> 等待 BUSY -> 页编程
void flash_erase_sector(uint32_t addr) {
  uint8_t buf[4] = {0x06};                 // 写使能
  CS_LOW(); spi_tx(buf, 1); CS_HIGH();
  buf[0] = 0x20;                           // 扇区擦除
  buf[1] = (addr >> 16) & 0xFF;
  buf[2] = (addr >> 8) & 0xFF;
  buf[3] = addr & 0xFF;
  CS_LOW(); spi_tx(buf, 4); CS_HIGH();
  flash_wait_busy();                       // 轮询 0x05 状态寄存器
}

void flash_page_write(uint32_t addr, const uint8_t *data, uint16_t len) {
  uint8_t cmd[4] = {0x02};                 // 页编程，len 不超过 256
  cmd[1] = (addr >> 16) & 0xFF;
  cmd[2] = (addr >> 8) & 0xFF;
  cmd[3] = addr & 0xFF;
  CS_LOW(); spi_tx(cmd, 4); spi_tx(data, len); CS_HIGH();
  flash_wait_busy();
}

void flash_wait_busy(void) {
  uint8_t cmd = 0x05, st = 0;
  do {
    CS_LOW(); spi_tx(&cmd, 1); spi_rx(&st, 1); CS_HIGH();
  } while (st & 0x01);                     // WIP 位为 1 表示忙
}

常见坑：跨页写。如果数据跨过 256 字节页边界，页编程会回卷到页首覆盖旧数据，所以驱动里要按页切分循环写。擦除一个 4KB 扇区大约 50ms，写满一页大约 1ms，大文件写入要有耐心，必要时上 DMA 加状态机。