第13章 DS18B20温度传感器和Flash存储器
DS18B20是一种常用的温度传感器，提供了感知周围温度的手段。Flash存储器是一款常用的数据存储器件，相比较于EEPROM，FLASH的存储容量更大、单位成本更低。
本章除了学习这两个器件外，还要学习控制这两种器件的两种通信协议--1-wire总线协议（一般常用）和SPI总线协议（重要且常用）。
13.1 温度传感器DS18B20
DS18B20是美信公司的一款温度传感器，单片机可以通过1-Wire协议与DS18B20进行通信，最终将温度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单，只需要将DS18B20的数据引脚和单片机的一个I/O口接上就可以了。先来看一下DS18B20的硬件原理图，如图13-1所示。
DS18B20通过编程，可以实现最高12位的温度存储值，在寄存器中，以补码的格式存储（补码的相关内容请自学了解），如图13-2所示。
共两个字节，LSB是低字节，MSB是高字节，其中MSb是字节的高位，LSb是字节的低位。每一位代表的温度的含义，都表示了出来。其中S表示的是符号位，低11位都是2的幂，用来表示最终的温度。DS18B20的温度测量范围是从-55度到+125度，而温度数据的表现形式，有正负温度，寄存器中每个数字如同卡尺的刻度一样分布，如图13-3所示。
二进制数字最低位变化1，代表温度变化0.0625度的映射关系。当0度的时候，就是0x0000，当温度125度的时候，对应十六进制是0x07D0，当温度是零下55度的时候，对应的数字是0xFC90。当数字是0x0001的时候，那温度就是0.0625度了。
首先根据手册上DS18B20工作协议过程简单介绍。
（1）初始化。和I2C的寻址类似，1-Wire总线开始也需要检测这条总线上是否存在DS18B20这个器件。如果这条总线上存在DS18B20，总线会根据时序要求返回一个低电平脉冲，如果不存在的话，也就不会返回脉冲，即总线保持为高电平，所以习惯上称之为检测存在脉冲。获取存在脉冲不仅仅是检测是否存在DS18B20，还要通过这个脉冲过程通知DS18B20准备好，单片机要对它进行操作了，如图13-4所示。
注意时序图，实粗线是单片机I/O口拉低这个引脚，虚粗线是DS18B20拉低这个引脚，细线是单片机和DS18B20释放总线后，依靠上拉电阻的作用把I/O口引脚拉高。前边介绍过，51单片机释放总线需要给高电平。
存在脉冲检测过程，首先单片机要拉低这个引脚，持续大概480us到960us之间的时间，程序中持续了大概500us。然后，单片机释放总线，就是给高电平，DS18B20等待大概15到60us后，会主动拉低这个引脚大概是60到240us，而后DS18B20会主动释放总线，这样I/O口会被上拉电阻自动拉高。
由于DS18B20时序要求非常严格，所以在操作时序的时候，为了防止中断干扰总线时序，先关闭总中断。第一步，拉低DS18B20这个引脚，持续500us；第二步，延时60us；第三步，读取存在脉冲，并且等待存在脉冲结束。
bit Get18B20Ack()
{
bit ack;
EA = 0; //禁止总中断
IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲
DelayX10us(50);
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
ack = IO_18B20; //读取存在脉冲
while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束
EA = 1; //重新使能总中断
return ack;
}
时序图上明明是DS18B20等待15us到60us，为什么要延时60us呢？举个例子，妈妈在做饭，告诉你大概5分钟到10分钟饭就可以吃了，那么什么时候去吃，能够绝对保证吃上饭呢？很明显，10分钟以后去吃肯定可以吃上饭。同样的道理，DS18B20等待大概是15us到60us，要保证读到这个存在脉冲，那么60us以后去读肯定可以读到。当然，不能延时太久，太久，超过75us，就有可能读不到，为什么是75us，请自己思考一下。
（2）ROM操作指令。学I2C总线的时候就了解到，总线上可以挂多个器件，通过不同的器件地址来访问不同的器件。同样，1-Wire总线也可以挂多个器件，但是它只有一条线，如何区分不同的器件呢？
在每个DS18B20内部都有一个唯一的64位长的序列号，这个序列号值就存在DS18B20内部的ROM中。开始的8位是产品类型编码（DS18B20是0x10），接着的48位是每个器件唯一的序号，如同人的身份证号，最后的8位是CRC校验码。DS18B20可以引出去很长的线，最长可以到几十米，测不同位置的温度。单片机可以通过和DS18B20之间的通信，获取每个传感器所采集到的温度信息，也可以同时给所有的DS18B20发送一些指令。这些指令相对来说比较复杂，而且应用较少，这里不再赘述。
Skip ROM（跳过ROM）：0xCC。当总线上只有一个器件的时候，可以跳过ROM，不进行ROM检测。
（3）RAM存储器操作指令。
RAM读取指令，只讲2条，其它的有需要可以查手册。
Read Scratchpad（读暂存寄存器）：0xBE
这里要注意的是，DS18B20的温度数据是2个字节，读取数据的时候，先读取到的是低字节的低位，读完了第一个字节后，再读高字节的低位，直到两个字节全部读取完毕。
Convert Temperature（启动温度转换）：0x44
当发送启动温度转换的指令后，DS18B20开始转换。从转换开始到获取温度，DS18B20是需要时间的，而这个时间长短取决于DS18B20的精度。前边说DS18B20最高可以用12位存储温度，但是也可以用11位，10位和9位共四种格式。位数越高，精度越高，9位模式最低位变化1个数字温度变化0.5度，同时转换速度也要快一些，如图13-5所示。
其中寄存器R1和R0决定了转换的位数，出厂默认值就11，也就是12位表示温度，最大的转换时间是750ms。当启动转换后，至少要再等750ms之后才能读取温度，否则读到的温度有可能是错误的值。
（4）DS18B20的位读写时序比较复杂，结合图文理解清楚。写时序图如图13-6所示。
当要给DS18B20写入0的时候，单片机将引脚拉低，持续时间大于60us小于120us就可以了。图13-6显示的意思是，单片机先拉低15us之后，DS18B20会在从第15us到第60us之间的时间来读取这一位，DS18B20最早会在15us的时刻读取，典型值是在30us的时刻读取，最多不会超过60us，DS18B20必然读取完毕，所以持续时间超过60us，但不超过120us。
当要给DS18B20写入1的时候，单片机先将这个引脚拉低，拉低时间大于1us，然后释放总线，即拉高引脚，并且持续时间也要大于60us。和写0类似的是，DS18B20会在15us到60us之间来读取这个1。
可以看出来，DS18B20的时序比较严格，写的过程中最好不要有中断打断，但是在两个“位”之间的间隔，是大于1us小于无穷的，那在这个时间段，是可以开中断来处理其它程序的。发送即写入一个字节的数据程序如下。
void Write18B20(unsigned char dat)
{
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止总中断
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次移出8个bit
{
IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲
_nop_();
_nop_();
if ((mask&dat) == 0) //输出该bit值
IO_18B20 = 0;
else
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚
}
EA = 1; //重新使能总中断
}
读时序图如图13-7所示。
当要读取DS18B20的数据的时候，单片机首先要拉低这个引脚，并且至少保持1us的时间，然后释放引脚，释放完毕后要尽快读取。从拉低这个引脚到读取引脚状态，不能超过15us。大家从图13-7可以看出来，主机采样时间，也就是MASTER SAMPLES，是在15us之内必须完成的，读取一个字节数据的程序如下。
unsigned char Read18B20()
{
unsigned char dat;
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止总中断
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次采集8个bit
{
IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲
_nop_();
_nop_();
IO_18B20 = 1; //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据
_nop_(); //延时2us
_nop_();
if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值
dat &= ~mask;
else
dat |= mask;
DelayX10us(6); //再延时60us
}
EA = 1; //重新使能总中断
return dat;
}
DS18B20所表示的温度值中，有小数和整数两部分。常用的带小数的数据处理方法有两种，一种是定义成浮点型直接处理，第二种是定义成整型，然后把小数和整数部分分离出来，在合适的位置点上小数点即可，Kingst51程序中使用的是第二种方法。下面就写一个程序，将读到的温度值通过数码管显示出来，并且保留一位小数位。
/***************************DS18B20.c文件程序源代码****************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
sbit IO_18B20 = P3^2; //DS18B20通信引脚
/* 软件延时函数，延时时间(t*10)us */
void DelayX10us(unsigned char t)
{
do {
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
} while (--t);
}
/* 复位总线，获取存在脉冲，以启动一次读写操作 */
bit Get18B20Ack()
{
bit ack;
EA = 0; //禁止总中断
IO_18B20 = 0; //产生500us复位脉冲
DelayX10us(50);
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
ack = IO_18B20; //读取存在脉冲
while(!IO_18B20); //等待存在脉冲结束
EA = 1; //重新使能总中断
return ack;
}
/* 向DS18B20写入一个字节，dat-待写入字节 */
void Write18B20(unsigned char dat)
{
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止总中断
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次移出8个bit
{
IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲
_nop_();
_nop_();
if ((mask&dat) == 0) //输出该bit值
IO_18B20 = 0;
else
IO_18B20 = 1;
DelayX10us(6); //延时60us
IO_18B20 = 1; //拉高通信引脚
}
EA = 1; //重新使能总中断
}
/* 从DS18B20读取一个字节，返回值-读到的字节 */
unsigned char Read18B20()
{
unsigned char dat;
unsigned char mask;
EA = 0; //禁止总中断
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在先，依次采集8个bit
{
IO_18B20 = 0; //产生2us低电平脉冲
_nop_();
_nop_();
IO_18B20 = 1; //结束低电平脉冲，等待18B20输出数据
_nop_(); //延时2us
_nop_();
if (!IO_18B20) //读取通信引脚上的值
dat &= ~mask;
else
dat |= mask;
DelayX10us(6); //再延时60us
}
EA = 1; //重新使能总中断
return dat;
}
/* 启动一次18B20温度转换，返回值-表示是否启动成功 */
bit Start18B20()
{
bit ack;
ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答
if (ack == 0) //如18B20正确应答，则启动一次转换
{
Write18B20(0xCC); //跳过ROM操作
Write18B20(0x44); //启动一次温度转换
}
return ~ack; //ack==0表示操作成功，所以返回值对其取反
}
/* 读取DS18B20转换的温度值，返回值-表示是否读取成功 */
bit Get18B20Temp(int *temp)
{
bit ack;
unsigned char LSB, MSB; //16bit温度值的低字节和高字节
ack = Get18B20Ack(); //执行总线复位，并获取18B20应答
if (ack == 0) //如18B20正确应答，则读取温度值
{
Write18B20(0xCC); //跳过ROM操作
Write18B20(0xBE); //发送读命令
LSB = Read18B20(); //读温度值的低字节
MSB = Read18B20(); //读温度值的高字节
*temp = ((int)MSB << 8) + LSB; //合成为16bit整型数
}
return ~ack; //ack==0表示操作应答，所以返回值为其取反值
}
/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
bit flag1s = 0; //1s定时标志
unsigned char T0RH = 0; //T0重载值的高字节
unsigned char T0RL = 0; //T0重载值的低字节
void ConfigTimer0(unsigned int ms);
extern bit Start18B20();
extern bit Get18B20Temp(int *temp);
void InitLed();
void LedScan();
void LedNumber(unsigned char index, unsigned char num, unsigned char point);
void main()
{
bit res;
int temp; //读取到的当前温度值
int intT, decT; //温度值的整数和小数部分
EA = 1; //开总中断
InitLed(); //初始化数码管IO
Start18B20(); //启动DS18B20
ConfigTimer0(1); //T0定时1ms
while (1)
{
if (flag1s) //每秒更新一次温度
{
flag1s = 0;
res = Get18B20Temp(&temp); //读取当前温度
if (res) //读取成功时，刷新当前温度显示
{
intT = temp >> 4; //分离出温度值整数部分
decT = temp & 0xF; //分离出温度值小数部分
decT = (decT*10) / 16; //二进制的小数部分转换为1位十进制位
LedNumber(0, decT, 0); //显示小数位
LedNumber(1, intT%10, 1); //显示整数个位+小数点
LedNumber(2, intT/10%10, 0); //显示整数十位
}
Start18B20(); //重新启动下一次转换
}
}
}
/* 配置并启动T0，ms-T0定时时间 */
void ConfigTimer0(unsigned int ms)
{
unsigned long tmp; //临时变量
tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值
tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值
tmp = tmp + 33; //补偿中断响应延时造成的误差
T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节
T0RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位
TMOD |= 0x01; //配置T0为模式1
TH0 = T0RH; //加载T0重载值
TL0 = T0RL;
ET0 = 1; //使能T0中断
TR0 = 1; //启动T0
}
/* T0中断服务函数，完成1秒定时 */
void InterruptTimer0() interrupt 1
{
static unsigned int tmr1s = 0;
TH0 = T0RH; //重新加载重载值
TL0 = T0RL;
LedScan();
tmr1s++;
if (tmr1s >= 1000) //定时1s
{
tmr1s = 0;
flag1s = 1;
}
}
/*****************************Led.c文件程序源代码*******************************/
#include <reg52.h>
sbit ADDR0 = P1^0;
sbit ADDR1 = P1^1;
sbit ADDR2 = P1^2;
sbit ADDR3 = P1^3;
sbit ENLED = P1^4;
unsigned char code LedChar[] = { //数码管显示字符转换表
0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8,
0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E
};
unsigned char LedBuff[6] = { //数码管显示缓冲区，初值0xFF确保启动时都不亮
0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF
};
/* LED初始化函数 */
void InitLed()
{
P0 = 0xFF;
ENLED = 0;
ADDR3 = 1;
ADDR2 = 1;
ADDR1 = 1;
ADDR0 = 1;
}
/* LED动态扫描函数，在定时中断中调用 */
void LedScan()
{
static unsigned char i = 0; //动态扫描的索引，定义为局部静态变量
P0 = 0xFF; //显示消隐
switch (i)
{
case 0: ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[0]; break;
case 1: ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=1; i++; P0=LedBuff[1]; break;
case 2: ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[2]; break;
case 3: ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=1; i++; P0=LedBuff[3]; break;
case 4: ADDR2=1; ADDR1=0; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[4]; break;
case 5: ADDR2=1; ADDR1=0; ADDR0=1; i=0; P0=LedBuff[5]; break;
default: break;
}
}
/* 数码管上显示一位数字，index-数码管位索引(从右到左对应0～5)，
num-待显示的数字，point-代表是否显示该位上的小数点 */
void LedNumber(unsigned char index, unsigned char num, unsigned char point)
{
LedBuff[index] = LedChar[num]; //输入数字转换为数码管字符0～F
if (point != 0)
{
LedBuff[index] &= 0x7F; //point不为0时点亮当前位的小数点
}
}
13.2SPI时序初步认识
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速的、全双工、同步的通信总线，广泛应用于各种嵌入式系统和电子设备中，特别是用于微控制器和外部器件之间的通信。SPI通信原理比I2C要简单，它主要是主从方式通信，这种模式通常只有一个主机和一个或者多个从机，标准的SPI是4根线，分别是SSEL（片选，也写作SCS）、SCLK（时钟，也写作SCK）、MOSI（主机输出从机输入Master Output/Slave Input）和MISO（主机输入从机输出Master Input/Slave Output）。
SSEL：从设备片选使能信号。如果从设备是低电平使能的话，当拉低这个引脚后，从设备就会被选中，主机和这个被选中的从机进行通信。
SCLK：时钟信号，由主机产生，和I2C通信的SCL有点类似。
MOSI：主机给从机发送指令或者数据的通道。
MISO：主机读取从机的状态或者数据的通道。
在某些情况下，也可以用3根线的SPI或者2根线的SPI进行通信。比如主机只给从机发送命令，从机不需要回复数据的时候，那么MISO就可以不要；而在主机只读取从机的数据，不需要给从机发送指令的时候，那MOSI就可以不要；当一个主机一个从机的时候，从机的片选有时可以固定为有效电平而一直处于使能状态，那么SSEL就可以不要；此时如果再加上主机只给从机发送数据，那么SSEL和MISO都可以不要；如果主机只读取从机送来的数据，SSEL和MOSI都可以不要。3线和2线的SPI也是有应用的，但是当提及SPI的时候，一般都是指4根线的标准SPI。
SPI通信的主机也是单片机，在读写数据时序的过程中，有四种模式，要了解这四种模式，首先得学习以下两个名词。
CPOL: Clock Polarity，就是时钟的极性。时钟的极性是什么概念呢？通信的整个过程分为空闲时刻和通信时刻，如果SCLK在数据发送之前和之后的空闲状态是高电平，那么CPOL=1，如果空闲状态SCLK是低电平，那么CPOL=0。
CPHA: Clock Phase，就是时钟的相位。主机和从机要交换数据，就牵涉到一个问题，即主机在什么时刻输出数据到MOSI上而从机在什么时刻采样这个数据，或者从机在什么时刻输出数据到MISO上而主机什么时刻采样这个数据。同步通信的一个特点就是所有数据的变化和采样都是伴随着时钟沿进行的，也就是说数据总是在时钟的边沿附近变化或被采样。而一个时钟周期必定包含了一个上升沿和一个下降沿，只是这两个沿的先后并无规定。又因为数据从产生的时刻到它的稳定是需要一定时间的，那么，如果主机在上升沿输出数据到MOSI上，从机就只能在下降沿去采样这个数据了。反之如果一方在下降沿输出数据，那么另一方就必须在上升沿采样这个数据。
CPHA=1，就表示数据的输出是在一个时钟周期的第一个沿上，至于这个沿是上升沿还是下降沿，这要视CPOL的值而定，CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么数据的采样自然就是在第二个沿上了。
CPHA=0，就表示数据的采样是在一个时钟周期的第一个沿上，同样它是什么沿由CPOL决定，那么数据的输出自然就在第二个沿上了。仔细想一下，这里会有一个问题：就是当一帧数据开始传输第一个bit时，在第一个时钟沿上就采样该数据了，那么它是在什么时候输出来的呢？有两种情况：一是SSEL使能的边沿，二是上一帧数据的最后一个时钟沿，有时两种情况还会同时生效。
以CPOL=1/CPHA=1为例，将时序图展示出来，如图13-8所示。
如图13-8所示，当数据未发送时以及发送完毕后，SCK都是高电平，因此CPOL=1。可以看出，在SCK第一个沿的时候，MOSI和MISO会发生变化，同时SCK第二个沿的时候，数据是稳定的，此刻采样数据是合适的，也就是上升沿即一个时钟周期的后沿锁存读取数据，即CPHA=1。SSEL片选引脚通常用来决定是哪个从机和主机进行通信。将剩余的三种模式的时序图画出来，简化起见把MOSI和MISO合在一起，如图13-9所示。
在时序上，SPI是不是比I2C要简单的多？没有了起始、停止和应答，UART和SPI在通信的时候，只负责通信，不管是否通信成功，而I2C却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息，所以相对来说，UART和SPI的时序都要比I2C简单一些。
13.3Flash存储器
Flash存储器又名闪存，也是一种掉电后可以存储数据的存储器，按主要类型分为NOR Flash和NAND Flash。Flash存储器在现代电子设备中扮演者重要角色，广泛应用于手机、平板。数码相机等消费电子产品，以及汽车、工业控制、航空航天等领域，主流单片机的程序存储空间也是Flash。
为了更好的理解Flash，将Flash和EEPROM的主要特点进行对比。
-
相较于EEPROM，Flash存储器能够提供较高的存储密度，容量更大，适合需要大容量存储的应用场景。比如Kingst51开发板上的Flash型号为W25Q32，是一个32Mbit大小的Flash存储器。而24C02的仅有256个字节，也就是2Kbit存储空间，存储空间上是16000倍，价格上仅2到3倍。
-
相较于EEPROM，Flash存储器的读写速度更快，尤其在读取速度方面，NOR Flash的读取速度非常快，适应于需要频繁读取操作的应用。
-
相较于Flash，EEPROM允许按照字节进行写操作，可以灵活地修改单个字节的数据。而Flash要修改某个数据前，通常需要对整个扇区（4096字节）进行擦除后（整个扇区初始化为1）才能重新写入。因此EEPROM更适合需要频繁更新数据的应用场景，而Flash更适合读写大量数据而不需要频繁改变数据的场景。
-
Flash的读写比EEPROM的读写略微，用户每次操作之前需要通知Flash具体操作指令，比如是“读”还是“写”，写的话是“写寄存器”还是“写数据”。写之前要先写使能等等操作。 当然这些指令在手册里有列表说明，每一条指令也都有详细解释，如表13-1所示。
读Flash流程：
- 检测是否“忙”。
- 使能引脚，写入“读数据”指令。
- 发送Flash读数据起始地址，需要注意的是W25Q32这颗Flash的存储空间是32Mbit，即4M字节，因此他的地址是24位地址。
- 根据当前地址读取相应数量的数据。
写Flash流程：
- 检测是否“忙”。
- 使能引脚，写入“写使能”指令。
- 发送“页写”指令。
- 发送Flash写数据起始地址。
- 连续发送要写入的数据，写入到Flash中去。
值得注意的是，如果写Flash的数据牵扯到跨页写入，需要对跨页进行操作处理。
写一个简单的程序，从某一地址读出连续的2个数据，第一个字节加1，第二个字节加2，分别重新写回到flash中去。
/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
extern void FlashRead(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len);
extern void FlashSectorErase(unsigned long addr);
extern unsigned int FlashPageWrite(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len);
void main()
{
unsigned char buf[2]; //数据读写缓冲区
unsigned long addr = 0; //数据读写地址
FlashRead(buf, addr, 2); //将数据读入缓冲区
buf[0] += 1; //第一个字节+1
buf[1] += 2; //第二个字节+2
FlashSectorErase(addr); //擦除读写地址所在扇区
FlashPageWrite(buf, addr, 2); //写入缓冲区中的数据
while (1);
}
/*****************************flash.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
#define FLASH_READ_REG1 0x05 //读寄存器1命令
#define FLASH_READ_DATA 0x03 //读数据命令
#define FLASH_WRITE_ENABLE 0x06 //写使能命令
#define FLASH_SECTOR_ERASE 0x20 //扇区擦除命令
#define FLASH_PAGE_WRITE 0x02 //页写入命令
#define FLASH_PAGE_SIZE 256 //每页字节数
#define FLASH_SECTOR_SIZE 4096 //每扇区字节数
sbit SPI_SCK = P3^5;
sbit SPI_MISO = P3^4;
sbit SPI_MOSI = P1^5;
sbit SPI_SSEL = P1^7;
/* SPI总线写操作：dat-待写入字节 */
void SPIWrite(unsigned char dat)
{
unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量
for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
{
SPI_SCK = 0; //拉低SCK
if ((mask&dat) == 0) //该位的值输出到MOSI上
SPI_MOSI = 0;
else
SPI_MOSI = 1;
SPI_SCK = 1; //再拉高SCK
}
}
/* SPI总线读操作：返回值-读到的字节 */
unsigned char SPIRead()
{
unsigned char mask;
unsigned char dat;
for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
{
SPI_SCK = 0; //拉低SCK
if (SPI_MISO == 0) //读取MISO的值
dat &= ~mask; //为0时，dat中对应位清零
else
dat |= mask; //为1时，dat中对应位置1
SPI_SCK = 1; //再拉高SCK
}
return dat;
}
/* Flash忙等待函数，循环查询busy标志位，至芯片不再忙时函数返回 */
void FlashBusyWait()
{
unsigned char dat;
do {
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_READ_REG1); //发送读寄存器1命令
dat = SPIRead(); //读取寄存器1的值
SPI_SSEL = 1;
} while (dat & 0x01); //判断读回的寄存器最低位，即busy标志位
}
/* Flash读取函数：buf-数据接收指针，addr-起始地址，len-读取长度 */
void FlashRead(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len)
{
FlashBusyWait();
//发送读数据命令与地址
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_READ_DATA);
SPIWrite(addr>>16);
SPIWrite(addr>>8);
SPIWrite(addr);
//连续读取数据
while (len--)
{
*buf++ = SPIRead();
}
SPI_SSEL = 1;
}
/* Flash扇区擦除函数：addr-擦除地址 */
void FlashSectorErase(unsigned long addr)
{
FlashBusyWait();
//发送写使能命令
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_WRITE_ENABLE);
SPI_SSEL = 1;
//发送擦除命令与地址
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_SECTOR_ERASE);
SPIWrite(addr>>16);
SPIWrite(addr>>8);
SPIWrite(addr);
SPI_SSEL = 1;
}
/* Flash页写入函数：
buf-源数据指针，addr-起始地址，
len-待写入长度，返回值-实际写入长度；
本函数不保证将全部数据都写入Flash中，当地址跨页时即停止写入，
如写入数据需跨页时，请在在调用时自行处理跨页及可能的擦除操作 */
unsigned int FlashPageWrite(unsigned char *buf, unsigned long addr, unsigned int len)
{
unsigned int n;
//计算起始地址至下一个页边界的字节数，即可写入的最大字节数
n = FLASH_PAGE_SIZE - (addr % FLASH_PAGE_SIZE);
//待写入长度超过可写入最大字节数时，将其重置为最大字节数
if (len > n)
{
len = n;
}
FlashBusyWait();
//发送写使能命令
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_WRITE_ENABLE);
SPI_SSEL = 1;
//发送页写命令及地址
SPI_SSEL = 0;
SPIWrite(FLASH_PAGE_WRITE);
SPIWrite(addr>>16);
SPIWrite(addr>>8);
SPIWrite(addr);
//连续发送待写入数据
for (n=0; n<len; n++)
{
SPIWrite(*buf++);
}
SPI_SSEL = 1;
return len; //返回实际写入的数据长度
}
flash.c程序的最开始把特殊指令和页大小、扇区大小进行宏定义。
SPIWrite：将单字节按照SPI时序发送。
SPIRead：按照SPI协议读取一个字节数据。
FlashBusyWait：检测Flash是否“忙”状态。Flash在跨页写入、扇区擦除、块擦除等操作中都需要一定的时间，这段时间flash都处于“忙”状态，读写指令均不响应，因此读写之前要使用这个函数进行“忙”检测。
FlashRead：Flash连续读数据指令。
FlashSectorErase：Flash扇区擦除。Kingst51开发板所采用的W25Q32这个Flash最小擦除单位就是扇区擦除。因此除非擦除后没有写入数据，否则要改变已经写入的数据，必须进行擦除动作，最小擦除单元为扇区。
FlashPageWrite：由于连续写入数据有可能遇到跨页的情况，本函数不提供跨页判断，一旦发现无法写入后，将返回写入的字节长度，跨页判断可以在上层应用函数中实现。
将使用SPI协议读写Flash的时序用逻辑分析仪抓出来，并且分别用SPI协议进行解析，如图13-10和13-11所示。
软件的SPI的配置信息，必须和实际通信一致，才能正确解析数据。除了使用SPI进行解析外，由于这是个flash器件，还可以使用特有的QSPI-flash解析器直接将指令解析出来，如图13-12和图13-13所示。
由于程序中存在扇区擦除操作，扇区擦除的时候flash会一直处于“忙”状态无法响应再次写入，因此程序中间段存在一些忙检测波形。将解析结果导出到excel表格中，截取一部分进行观察，如图13-14所示，一共403个字节的数据，图片左侧为前16个字节，图片右侧为后17个字节，中间字节全部为“忙检测”。
从解析的数据可以看出，第一个字节是读状态寄存器，了解Flash是否在忙，第二个字节读到了0x00，说明Flash处于不忙的状态。第三个字节0x03为读数据命令，第四个字节是要读取0x000000这个地址的连续数据，读到的2个字节数据是0x05和0x0B。而后再次进行忙检测，由于刚刚进行的是读操作，所以Flash还是处于不忙的状态。然后使用0x06这个写使能命令，写入了0x20指令进行了从0x00地址开始的单个扇区擦除（4096字节）。擦除命令结束后程序进入循环检测flash的“忙”信号，此时在一段时间内，发送0x05，回复的都是0x03，说明flash都处于忙状态，一直到解析后数据的第398行再次检测到0x00的不忙信号，发送0x06这个写使能指令，发送0x02的页写入指令，从地址0x000000开始，写入的2个字节分别为0x06和0x0D。
W25Q32这个Flash的页写入、扇区擦除、块擦除等各种操作所需要的大概时间在手册里都有标注，如图13-15所示。
13.4练习题
- 掌握 DS18B20的时序过程，能够理解1-wrie总线读写的时序。
- 理解SPI的通信原理，SPI通信过程的四种模式配置。
- 理解flash存储器的基本原理和操作方式，能独立完成flash的读写操作。