Spi on Klin's Notebook 🍉

通信协议里的“高位在前”到底在说什么

Thu, 07 May 2026 20:11:00 +0800

关键点在于：这里其实有两个层次的“高位”。

字节层次：多字节数据里先发高字节（更高权重的字节）
位层次：单字节内部先发高位（bit7 到 bit0）

这两个层次彼此独立，不要混为一谈。

例子

用 12345 = 0x3039 作为例子，它由两个字节组成：

高字节：0x30 = 0011 0000
低字节：0x39 = 0011 1001

以 SPI 的 MSB first 为例：

在字节层次：先发高字节，再发低字节
在位层次：每个字节都按高位到低位发送

字节层次发送顺序：

第1个：0x30（高字节）
第2个：0x39（低字节）

位顺序：

发送 0x30 时：
位顺序：0 -> 0 -> 1 -> 1 -> 0 -> 0 -> 0 -> 0
↑高位 ↑低位
发送 0x39 时：
位顺序：0 -> 0 -> 1 -> 1 -> 1 -> 0 -> 0 -> 1
↑高位 ↑低位

再看一个反例：LSB first

还是用 0x3039：

字节层次（不变）：先发 0x30，再发 0x39
位层次（变化）：每个字节按低位到高位发送（bit0 到 bit7）

位顺序：

发送 0x30 时：
位顺序：0 -> 0 -> 0 -> 0 -> 1 -> 1 -> 0 -> 0
↑低位 ↑高位
发送 0x39 时：
位顺序：1 -> 0 -> 0 -> 1 -> 1 -> 1 -> 0 -> 0
↑低位 ↑高位

SPI NOR Flash硬件和指令

Wed, 06 May 2026 20:26:23 +0800

NOR Flash硬件

前提说明：本笔记以 SPI NOR Flash（Winbond W25Q64）为例，适用于 NOR 常见指令与擦写模型（如页编程、扇区擦除）。若实际项目使用的是 SPI NAND，其页/块结构、读写流程、状态位含义及坏块/ECC 处理与 NOR 不同，不能直接套用本文细节。

物理特性

NOR Flash 的核心约束是“先擦后写”：

覆写数据前必须先擦除
擦除后的比特位恢复为 0xFF
擦除耗时通常明显高于写入

存储层次结构

页（Page）：256 字节，最小写入单位
扇区（Sector）：通常 4KB（16 页），最小擦除单位
块（Block）：32KB 或 64KB，可擦除单位
整片（Chip）：支持全片擦除

大多数 SPI NOR Flash 都是这种层次。不同型号的差异通常体现在页大小、扇区/块组织和命令集细节；“256 字节”通常对应的是页而不是扇区。

状态寄存器

BUSY = 1：正在执行擦除/写入
BUSY = 0：操作完成，可进行下一步

用法：每次擦除、写入后，都要轮询状态寄存器，等待 BUSY = 0。

WEL = 1：写使能已设置，可写入
WEL = 0：写使能未设置，不可写入

用法：每次擦除/写操作前都必须先让 WEL = 1。

常用命令

操作	命令/流程
读数据	`0x03 + 地址 -> 读数据`
读状态寄存器	`0x05 -> 状态`
写使能	`0x06`（每次擦除/写后 WEL 自动清零，下次前需重新写使能）
扇区擦除（4KB）	写使能 + `0x20 + 地址`
块擦除（32KB）	写使能 + `0x52 + 地址`
块擦除（64KB）	写使能 + `0xD8 + 地址`
全片擦除	写使能 + `0xC7`（或 `0x60`）

写入流程略微复杂：

写使能
扇区擦除
等 BUSY=0
写使能
页编程 0x02 + 地址 + 数据（1~256 字节）
等 BUSY=0

页编程最多写入 256 字节。若写到页末尾后继续送数据，地址会在当前页内回绕到页起始位置，覆盖已有数据；单次页编程不能跨页。

为什么叫“页编程”

这是翻译带来的直觉偏差。英文是 Page Program，其中 Program 在这里是“写入/烧写”含义，不是“写程序”。所以“页写入”更直观，但行业里约定俗成叫“页编程”。

关于擦除

如果某个页自上次擦除后还没被写过，可以不重复擦除。比如刚完成全片擦除，或已擦除扇区但仅写入了该扇区中的其他页。

要点是：擦除最小单位是扇区，写入最小单位是页。擦除扇区会同时清掉这个扇区内其他页的数据，必要时应先备份再回写。

地址回绕

例子：从地址 0x10F0 写入 20 字节。

页边界（每 256 字节一页）：

页0：0x0000 ~ 0x00FF
页1：0x0100 ~ 0x01FF

按地址直觉，你可能以为会这样：

0x10F0 ~ 0x10FF -> 写16字节（正常）
0x1100 ~ 0x1103 -> 写4字节（下一页开头）

但页编程实际会在当前页内回绕：

0x10F0 ~ 0x10FF -> 写16字节
地址回绕 -> 回到0x1000（本页开头）
0x1000 ~ 0x1003 -> 写4字节（覆盖页开头原数据）

但这只是现象，为什么会有这种回绕机制呢？因为 Page Program 这条命令的本质是“在当前页连续写入”，内部地址自增只在页内有效（低 8 位递增）。当超过该页末尾（256 字节边界）时，地址低 8 位会从 0xFF -> 0x00，高位不变，于是回到同一页开头继续写，造成覆盖。

需要注意的超时

虽然 Flash 硬件操作理论上一定会完成，但在实际工程里，软件可能永远等不到这个信号。可能原因包括 SPI 配置错误、中断未使能等。因此驱动开发一定要增加超时时间，作为系统兜底，避免永久卡死并方便异常处理。

SPI：与 I2C/UART 对比及四种模式

Mon, 04 May 2026 19:55:22 +0800

四线接口：CLK、DO、DI、CS

四条线：

CLK 时钟线
DO 数据输出（主从视角下也常对应 MOSI）
DI 数据输入（主从视角下也常对应 MISO）
CS 片选（每个设备一条，独享）

与 I2C、UART 的对比

特性	SPI	I2C	UART
同步/异步	同步（有时钟线）	同步（有时钟线）	异步（无时钟线）
通信线数	4线（CS/CLK/DO/DI）	2线（SCL/SDA）	2线（TX/RX）
多设备	CS 独享，CLK/DO/DI 共用	地址选择	点对点
传输特点	发送 N 字节必接收 N 字节	主控控制读写	全双工独立
速度	高速（MHz 级）	中速（100k–400k–1M）	低速（波特率限制）
适用场景	Flash、高速传感器	EEPROM、传感器	调试、通信模块

同步/异步：有时钟线时，可以精准地知道何时读取数据，不需要约定波特率、误差也不会累积，所以速度快，这就是同步通信。否则只能异步通信，速度会慢。
CS 独享：每个设备都有单独的一根 CS 线。和 I2C 不同，I2C 通过软件协议尽量复用连接线（地址广播），SPI 则是通过硬件解决，减少了协议开销，可以满足更高的速度要求。
发送 N 字节必接收 N 字节：这是硬件上的限制，软件上可以读取但忽略、发送假数据，但是硬件上 SPI 被设计成了时钟由发送动作产生——不发送就没有时钟，也就不能接收。

CPOL / CPHA 与四种模式

四种模式通过两个开关组合而来：

CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：空闲时时钟电平。CPOL=0 平时为低电平，CPOL=1 平时为高电平。
CPHA（Clock Phase，时钟相位）：在第几个边沿采样。CPHA=0 为第一个边沿，CPHA=1 为第二个边沿。

模式	CPOL	CPHA	时钟空闲	采样边沿
Mode 0	0	0	低电平	上升沿（第 1 个）
Mode 1	0	1	低电平	下降沿（第 2 个）
Mode 2	1	0	高电平	下降沿（第 1 个）
Mode 3	1	1	高电平	上升沿（第 2 个）

为什么需要多种模式？ 不同的设备有不同的数据输出时序要求：如果数据在时钟边沿前就准备好，就用 CPHA=0；如果数据在时钟边沿后才稳定，就用 CPHA=1。

若数据在上升沿前已稳定，常用 Mode 0 或 Mode 3；若在下降沿前已稳定，常用 Mode 1 或 Mode 2。

状态位：TXE 与 RXNE

TXE（Transmit Buffer Empty）：TX buffer 空，可以写数据
RXNE（Receive Buffer Not Empty）：RX buffer 非空，可读

三种传输方式

和 I2C、UART 一样，HAL 库也提供了查询、中断、DMA 三种方式。

核心函数

HAL_SPI_TransmitReceive — 同时发送和接收
HAL_SPI_Transmit — 仅发送
HAL_SPI_Receive — 仅接收