2. SPI Flash 硬件基础：SPI 协议简介与 Flash 芯片选型
做嵌入式 UI，图片资源动不动就几百 KB。LVGL 跑起来，内部 Flash 根本塞不下。这时候，外挂一颗 SPI Flash 就成了最实在的方案。
这一章，我们先把硬件底子打牢。说白了，就是搞明白两件事：SPI 总线怎么干活，以及Flash 芯片怎么挑。我以 W25Q64 为例，带你走一遍选型和理解的过程。
2.1 SPI 协议：四根线怎么聊天的？
SPI 全称 Serial Peripheral Interface，同步串行外设接口。它由 Motorola 公司推出，后来成了事实标准。
SPI 总线只需要 4 根信号线：
| 信号 | 全称 | 方向 | 作用 |
|---|---|---|---|
| SCLK | Serial Clock | 主机 → 从机 | 时钟信号，由主机产生 |
| MOSI | Master Out Slave In | 主机 → 从机 | 主机发送数据给从机 |
| MISO | Master In Slave Out | 从机 → 主机 | 从机发送数据给主机 |
| CS | Chip Select | 主机 → 从机 | 片选信号，低电平有效 |
SPI 是 全双工 的。什么意思？主机发数据的同时，也能收数据。这一点比 I2C 快不少。
通信过程很简单：
- 主机把 CS 拉低，选中从机。
- 主机在 SCLK 上产生时钟脉冲。
- 每个时钟周期，主机通过 MOSI 发 1 bit，同时从机通过 MISO 回 1 bit。
- 传输结束，主机把 CS 拉高。
我的习惯： 调试 SPI 时，先拿逻辑分析仪抓 CS 和 SCLK。CS 有没有拉低？SCLK 有没有波形？这两根线对了，基本就成功了一半。
2.2 SPI 的四种模式：别搞错时钟极性
SPI 有 4 种工作模式，由 时钟极性 (CPOL) 和 时钟相位 (CPHA) 决定。
- CPOL：空闲时 SCLK 的电平。0 是低电平，1 是高电平。
- CPHA：数据在哪个边沿采样。0 是第一个边沿，1 是第二个边沿。
| 模式 | CPOL | CPHA | 采样边沿 | 常用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 模式 0 | 0 | 0 | 上升沿 | W25Q64、SD 卡 |
| 模式 1 | 0 | 1 | 下降沿 | 部分传感器 |
| 模式 2 | 1 | 0 | 下降沿 | 部分 LCD 驱动 |
| 模式 3 | 1 | 1 | 上升沿 | 部分射频芯片 |
我曾经踩过的坑： 第一次用 W25Q64 时，没仔细看数据手册，默认用了模式 3。结果读 ID 全错。折腾了半天，才发现 W25Q64 只支持 模式 0 和模式 3。后来我学乖了，每次拿到新芯片，第一件事就是翻 SPI 章节，确认 CPOL 和 CPHA。
2.3 W25Q64：一颗经典的 SPI Flash
W25Q64 是 Winbond 公司生产的 SPI Flash 芯片。容量 64 Mbit，也就是 8 MB。为什么选它？
- 性价比高：8 MB 容量，价格才一两块钱。
- 生态成熟：几乎所有 MCU 厂商的驱动库都支持它。
- 速度够用：支持最高 80 MHz 时钟频率，Quad SPI 模式下更快。
它的内部结构是这样的：
你想想看，8 MB 能存多少张图片？一张 320×240 的 16 位色 BMP 大约 150 KB。8 MB 能存 50 多张。对于 LVGL 的 UI 项目，绰绰有余。
2.4 芯片选型：除了 W25Q64，还有哪些选择？
市面上 SPI Flash 芯片很多。我列几个常见的，方便你对比：
| 型号 | 容量 | 最高频率 | Quad SPI | 价格 (参考) |
|---|---|---|---|---|
| W25Q16 | 2 MB | 80 MHz | 支持 | ¥1.5 |
| W25Q64 | 8 MB | 80 MHz | 支持 | ¥2.5 |
| W25Q128 | 16 MB | 80 MHz | 支持 | ¥4.0 |
| GD25Q64 | 8 MB | 80 MHz | 支持 | ¥2.0 |
| MX25L64 | 8 MB | 86 MHz | 支持 | ¥3.0 |
我的建议： 如果项目对成本敏感，选 GD25Q64，和 W25Q64 完全兼容。如果追求稳定，选 W25Q64，文档最全，社区支持最好。
2.5 硬件连接：怎么接到 MCU 上？
连接很简单。以 STM32 为例：
// W25Q64 与 STM32F407 的连接
// PA5 - SCLK
// PA7 - MOSI
// PA6 - MISO
// PB0 - CS
SPI_HandleTypeDef hspi1;
void MX_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; // 软件控制 CS
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4; // 42 MHz / 4 = 10.5 MHz
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);
}
避坑指南： 硬件上，CS 引脚不要用硬件 NSS，用普通 GPIO 软件控制。为什么？因为硬件 NSS 在多从机场景下容易出问题。我习惯用 PB0 做 CS，手动拉高拉低，心里踏实。
2.6 读芯片 ID：验证通信的第一步
拿到新板子，怎么确认 SPI 通信正常？读芯片的 制造商 ID 和 设备 ID。
W25Q64 的读 ID 命令是 0x9F。发送流程：
- 拉低 CS。
- 发送命令字节
0x9F。 - 连续读取 3 个字节：制造商 ID、设备 ID 高字节、设备 ID 低字节。
- 拉高 CS。
uint8_t manufacturer_id;
uint8_t device_id_high;
uint8_t device_id_low;
void W25Q64_Read_ID(void)
{
uint8_t cmd = 0x9F;
uint8_t rx_buffer[3] = {0};
CS_LOW(); // 拉低 CS
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, rx_buffer, 3, 100);
CS_HIGH(); // 拉高 CS
manufacturer_id = rx_buffer[0];
device_id_high = rx_buffer[1];
device_id_low = rx_buffer[2];
// W25Q64 的 ID 应该是：0xEF, 0x40, 0x17
if (manufacturer_id == 0xEF && device_id_high == 0x40 && device_id_low == 0x17)
{
// 通信正常
}
else
{
// 通信异常，检查硬件连接
}
}
我曾经遇到的坑： 读 ID 一直返回 0xFF。查了半天，发现是 CS 引脚没配置成推挽输出。默认是开漏，拉不低。嗯，硬件初始化一定要检查 GPIO 模式。
2.7 本章小结
这一章我们搞清楚了：
- SPI 协议的四根线和四种模式。
- W25Q64 的内部结构和选型要点。
- 硬件连接和读 ID 的代码实现。