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简介：这是一套基于STM32的软件SPI读写W25Q64 Flash存储器的完整工程资源，面向单片机初学者及嵌入式开发爱好者，帮助理解在无硬件SPI外设或需要灵活分配引脚时，如何用GPIO软件模拟时序与存储芯片进行可靠通信。资源包共83个文件，以C源文件和H头文件为主，包含STM32标准外设库、启动文件、Keil工程配置以及一张接线示意图，整体压缩后约1004KB，目录按Library、Hardware、User等模块划分，便于按需查阅和二次开发。案例以W25Q64为从机、STM32为主机，选用SPI1引脚定义软件模拟时序，包含MySPI、W25Q64、OLED等驱动模块，可直接看到主机从机的数据交互流程，覆盖读ID、擦除、写入、读取等典型存储操作。已有2050人学习过，说明其思路具有一定的普遍性和参考价值。通过学习，既能掌握软件SPI时序模拟的原理，也能为后续移植驱动到其他Flash或传感器提供清晰样板。

1. 放着硬件SPI不用，为什么总要折腾一遍软件SPI

先说个我自己的真实经历。有次做一块带W25Q64存储日志的板子，PCB布线阶段硬件同事把SPI1的三个引脚借走做了别的功能，等我调板时才发现STM32F103的硬件SPI引脚不能随便挪——要么重映射，要么只能干瞪眼。重映射之后又跟串口3冲突，最后还是老老实实写了软件SPI，用两个普通GPIO把W25Q64跑通了。从那以后我就明白，软件SPI不是硬件SPI的替代品，而是每个嵌入式工程师必须会的兜底方案。

软件SPI的本质，就是用GPIO按照SPI协议一根线一根线地模拟时序。它的价值不在性能，而在三个场景里极其好用：第一，硬件SPI引脚被占用或者不够用，你说换芯片？项目周期不答应。第二，芯片本身不带SPI外设，比如一些低成本的8位单片机，想挂Flash只能软件模拟。第三，调试阶段，软件SPI的时序完全可控，你可以让时钟慢到任意速度，配合逻辑分析仪直接把每一根线上的电平变化看得明明白白。

很多人会问，那直接上硬件SPI不香吗？香，但得分场合。硬件SPI的优势是速度快、有硬件FIFO、可以配合DMA做大数据搬运，CPU基本不用管。但它的劣势也同样明显：引脚固定、移植麻烦、出错之后排查难度大。软件SPI恰好相反，引脚自由度极高，想用哪个IO就用哪个IO，改板子时只需要改宏定义；缺点是速度上不去，还要占用CPU逐位操作。这里我习惯做一个对比，大家按需求选：

所以我的建议很直白：如果只是驱动W25Q64这种运行频率不高、单次读写几十个字节的存储芯片，软件SPI完全够用。如果是给LCD刷屏、做高速数据采集，那就老老实实上硬件SPI加DMA。本篇的教学价值在于，读懂软件SPI你就读懂了SPI协议本身，后面再切硬件SPI，不过是换几个寄存器操作而已。

2. 摸清W25Q64的“脾气”：SPI时序与指令手册速读

2.1 SPI协议的四根线和两种模式

SPI通信本质上就是四个角色：SCLK提供时钟节奏，MOSI负责主机往从机送数据，MISO负责从机往主机回数据，CS负责选人。它跟I2C最大的区别是不需要应答机制，主机给多少个时钟，就同步交换多少个位。所以写软件SPI的时候，最核心的就是把SCLK这条时钟线老老实实控制住，该出高电平出高电平，该拉低就拉低，节奏对了数据就对了。

SPI协议里有CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）两个参数，组合出四种模式。W25Q64这颗芯片支持模式0和模式3，绝大多数嵌入式项目里默认用模式0。所谓模式0，就是CPOL=0、CPHA=0：空闲状态SCLK保持低电平，数据在SCLK的上升沿被采样，在下降沿切换。换句话说，主机想让从机读取一个数据位，就把MOSI上的电平准备好，然后拉高SCLK，从机在这个上升沿把这个位锁存进去；主机想从从机读取一个数据位，就把SCLK拉低，从机在下降沿把数据放到MISO上，主机再去读这个引脚的电平。

理解了这条节奏，软件SPI的核心代码其实就是一个循环里做两件事：发一个位、收一个位。别把SPI想复杂了，它就是一台带方向的移位寄存器，每来一个时钟沿，双方同时移出一位、移入一位。

2.2 摸清W25Q64的指令集

W25Q64是华邦（Winbond）生产的64Mbit串行Flash，换算过来就是8MB存储空间，按4KB一个扇区划分。它的所有操作都是靠主机发送指令字节来触发的，芯片手册里有一张指令集表格，读透它会发现很多规律。

这几个指令就够用了，实际上日常开发90%的时间都在跟它们打交道。还有一个细节务必记住，读ID有两种方式，0x9F是JEDEC标准，返回的三字节依次是厂商ID（0xEF）、存储类型（0x40）、容量代码（0x17）；而0x90是老式Read Manufacturer/Device ID指令，时序是发0x90之后接三个哑元字节，再读两个字节，得到0xEF和0x17。两种读法我都用过，调试时要是发现返回值跟网上教程对不上，先检查是不是指令发错了。

2.3 Flash写入前必须先擦除的底层逻辑

这是新手最容易忽略的机制。Flash存储单元跟RAM不一样，它的物理特性决定了只能把1写成0，而不能直接把0写成1。所以要写入新数据之前，必须先执行擦除操作，把目标区域全部恢复成0xFF。W25Q64支持的擦除粒度有扇区擦除（4KB）、块擦除（64KB）、整片擦除，实际开发中扇区擦除是性价比最高的。

擦除和编程都受写保护锁控制，每次操作之前要先发0x06写使能指令，再把CS拉高，让这个使能指令生效。如果漏了这一步，你会发现写状态寄存器、页编程、扇区擦除全部没有反应，这就是芯片的自保护机制。状态寄存器的bit0是BUSY位，擦除和编程期间芯片内部忙，外部要不断轮询这个位，等它归零才表示操作完成。我的经验是：任何时候写完数据或擦完扇区，都要把等待BUSY这件事做进流程里，这是Flash驱动稳定性的基础。

3. 软件SPI的落地代码：从一根线到读写函数

3.1 GPIO初始化：四根线的引脚配置

我以STM32标准库为例，选PA5做SCLK、PA6做MISO、PA7做MOSI、PA4做CS。这里有个小讲究：MISO这根线是芯片往主机输入的信号，GPIO要配成浮空输入或上拉输入，千万别配成推挽输出，否则读回来的数据永远是定值，这是低级错误里高发的一个。

#define SPI_CS_PORT GPIOA #define SPI_CS_PIN GPIO_Pin_4 #define SPI_SCLK_PORT GPIOA #define SPI_SCLK_PIN GPIO_Pin_5 #define SPI_MISO_PORT GPIOA #define SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_6 #define SPI_MOSI_PORT GPIOA #define SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_7 void Soft_SPI_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // MOSI、SCLK、CS 都是主机输出，推挽输出即可 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_CS_PIN | SPI_SCLK_PIN | SPI_MOSI_PIN; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // MISO 是输入，浮空输入，外部无上下拉时也能工作 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MISO_PIN; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // 默认状态：CS拉高（不选中），SCLK拉低（模式0空闲态） GPIO_SetBits(GPIOA, SPI_CS_PIN); GPIO_ResetBits(GPIOA, SPI_SCLK_PIN); }

如果你是HAL库用户，把操作函数换成HAL_GPIO_WritePin和HAL_GPIO_ReadPin就行，逻辑完全一致。注意初始化顺序：先开时钟，再配输出引脚，最后配输入引脚；CS默认一定要拉高，SCLK默认一定要拉低，否则第一次通信时序就是乱的。

3.2 核心字节交换函数：一发一收同时完成

软件SPI的心脏是下面这个函数。它做了一件看起来很朴素的事：循环8次，每一次把待发送字节的最高位移到MOSI上，拉高SCLK让从机采样，拉低SCLK让从机输出数据，最后把MISO上的电平读回来放进待接收字节。

uint8_t Soft_SPI_SwapByte(uint8_t byte) { uint8_t i; for (i = 0; i < 8; i++) { // 发送位：取最高位输出到 MOSI if (byte & 0x80) GPIO_SetBits(GPIOA, SPI_MOSI_PIN); else GPIO_ResetBits(GPIOA, SPI_MOSI_PIN); byte <<= 1; // SCLK 拉高，上升沿，从机采样 MOSI GPIO_SetBits(GPIOA, SPI_SCLK_PIN); SPI_Delay(); // SCLK 拉低，下降沿，从机把数据放到 MISO GPIO_ResetBits(GPIOA, SPI_SCLK_PIN); SPI_Delay(); // 在这里读 MISO，数据此时已经稳定 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, SPI_MISO_PIN)) byte |= 0x01; } return byte; }

SPI_Delay()是我习惯写的一个空循环延时，目的不是刻意拖慢速度，而是保证高低电平的持续时间能满足W25Q64的时序要求。主频72MHz的STM32F103上，一个简单的for循环延时几个微秒就足够。有些教程里甚至不延时也能跑，但我不建议去掉，因为PCBA的走线长度、引脚寄生电容都会影响时序，留一点余量能少很多莫名其妙的问题。

有个细节值得多说一句：读MISO的时机。我的写法是SCLK拉低之后再读，对应模式0里“从机在下降沿后输出数据”的语义。实际上很多Flash芯片在下降沿到来后需要极短的时间把数据放上MISO，所以SCLK拉低之后稍微延迟一下再读是最稳妥的，千万别在SCLK还在高电平的时候去读。当然，这种差异在低速软件SPI里几乎感知不到，但养成正确的时序观念，回头写硬件SPI配置CPOL/CPHA时就不会一脸茫然。

3.3 片选控制和指令封装

在写具体指令函数之前，先把片选操作提取成宏或内联函数。这段代码的价值在于，它把整个命令过程框起来：CS拉低表示选中芯片，之后的所有字节都属于同一条命令，直到CS拉高，命令才算结束。

#define SPI_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, SPI_CS_PIN) #define SPI_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, SPI_CS_PIN)

以最简单的读状态寄存器为例，可以看到SPI指令的通用套路：拉低CS，发指令，读数据，拉高CS。

uint8_t W25Q64_ReadStatusReg(void) { uint8_t status; SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x05); status = Soft_SPI_SwapByte(0xFF); SPI_CS_HIGH(); return status; }

这里发0xFF是一个技巧，主机发出去的字节本身没有意义，目的是配合时钟把从机移位寄存器里的数据“顶”出来。SPI是全双工协议，只要你产生时钟，就同时完成了发送和接收，所以读数据的时候统一发0xFF，简单又不容易出错。

4. 读ID、擦除、写入、回读：让数据真正掉电不丢失

4.1 上电第一步：读ID验证通信链路

每次拿到一块新的W25Q64，我建议第一件事就是写一个读ID函数，串口把读到的三个字节打出来。如果读出来是EF 40 17，说明SPI时序正确，底层通信没问题；如果读出来全是FF，多半是MISO没接对，或者CS没拉低；如果读到00，多半是MOSI发不出数据，或者时钟没动。这一步排查比后面闷头调读写指令要快得多，强烈建议所有新手把这个步骤养成习惯。

void W25Q64_ReadJEDECID(uint8_t *manufacturer, uint8_t *type, uint8_t *capacity) { SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x9F); *manufacturer = Soft_SPI_SwapByte(0xFF); *type = Soft_SPI_SwapByte(0xFF); *capacity = Soft_SPI_SwapByte(0xFF); SPI_CS_HIGH(); }

主函数里调用一次，通过串口或者调试器看返回值。我遇到过很多次情况：代码逻辑写了一千行，最后发现是杜邦线松了，MISO那根线虚接，读回来全部是FF。先跑通读ID再往下走，能给自己省掉大量不必要的排查时间。

4.2 扇区擦除：写入新数据前的清理步骤

Flash写入前必须先擦除。我要往0x000000地址开始写数据，那么先擦除0x000000所在的这个4KB扇区，扇区起始地址就是0x000000。如果我要写0x001234这个地址，它所在的扇区起始地址是0x001000，也就是取地址的高20位作为扇区地址，低12位是该扇区内的偏移。

void W25Q64_SectorErase(uint32_t sector_addr) { // 写使能，在CS上升沿生效 SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x06); SPI_CS_HIGH(); // 扇区擦除：指令+24位地址 SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x20); Soft_SPI_SwapByte((sector_addr >> 16) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte((sector_addr >> 8) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte(sector_addr & 0xFF); SPI_CS_HIGH(); // 等待擦除完成，扇区擦除时间最长可达几百毫秒 while (W25Q64_ReadStatusReg() & 0x01); }

注意写使能和擦除指令要分开两个CS周期，很多初学代码喜欢把所有字节一口气发完再拉高CS，这是错误的。0x06必须单独一个命令，在CS上升沿被锁存，然后才能执行后续的擦除或者编程指令。等待BUSY用while循环轮询，这个思路比sleep固定延时更可靠，因为擦除时间跟芯片状态、温度都有关系，固定延时写长了浪费时间，写短了直接翻车。

4.3 页编程：256字节的分页写入算法

W25Q64的页编程指令0x02最多可以一次写入256字节，超出则地址会回卷到当前页的开头，把之前写入的数据覆盖掉。所以如果你的数据跨页了，就必须拆成多次页编程。实际项目中，我会写一个通用的写数据函数，自动处理分页逻辑：

void W25Q64_WriteData(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len) { uint32_t page_remain; while (len > 0) { // 先写使能 SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x06); SPI_CS_HIGH(); // 当前地址到页尾还剩多少字节 page_remain = 256 - (addr % 256); if (page_remain > len) page_remain = len; // 发送页编程指令 SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x02); Soft_SPI_SwapByte((addr >> 16) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte((addr >> 8) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte(addr & 0xFF); // 发送数据 while (page_remain--) { Soft_SPI_SwapByte(*buf); buf++; len--; addr++; } SPI_CS_HIGH(); // 等待编程完成 while (W25Q64_ReadStatusReg() & 0x01); } }

这个函数的精华在page_remain = 256 - (addr % 256)这一行，每次循环先算出当前地址离页边界还有多少字节，取小值作为本次编程的长度，编程完地址往后推，直到数据全部写完。忘记处理跨页问题，是驱动W25Q64最经典的一类Bug，数据错乱还不是最可怕的，更麻烦的是它偶尔对、偶尔错，很难定位。先写清楚分页逻辑，后面就很省心。

4.4 读数据与掉电验证

读数据比写数据简单多了，不需要写使能，也不需要等BUSY，唯一的约束是CS必须保持拉低状态，从发完地址之后连续读。芯片内部会自动递增地址，所以读任意长度数据就是不断调用SwapByte取返回值。

void W25Q64_ReadData(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len) { SPI_CS_LOW(); Soft_SPI_SwapByte(0x03); Soft_SPI_SwapByte((addr >> 16) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte((addr >> 8) & 0xFF); Soft_SPI_SwapByte(addr & 0xFF); while (len--) { *buf = Soft_SPI_SwapByte(0xFF); buf++; } SPI_CS_HIGH(); }

到这一步，你就可以做一件很有成就感的事情——验证掉电不丢失。我在自己的板子上写了一个演示流程：上电后先往0x000000写入一串测试数据，再读出来通过串口打印；如果数据符合预期，再配合LED闪烁提示。然后断电，重新上电，这次跳过写入直接读，看看读出来的数据是不是还是那一串。当看到数据原封不动被读出来的时候，对Flash这块的底层逻辑就真的踏实了。W25Q64的标称擦写次数是10万次，数据保存时间可以达到20年以上，做设备参数存储、日志记录、字库存放都够用。

5. 实测中踩过的坑与软件SPI的提速思路

5.1 九成新手都会踩的几个坑

软件SPI项目不大，但坑不少。我把这几年带项目时常见的问题整理成一张排查表，按出现频率排序：

其中“写使能无效”这个坑尤其容易在初学阶段埋下。我见过很多人的代码在W25Q64_SectorErase里把0x06和0x20连着发，CS一直拉低，结果擦除指令根本没被执行。正确的做法就是分开两个CS周期：第一个周期发0x06并拉高CS让芯片锁存写使能；第二个周期再拉低CS发擦除指令。想理解为什么，就去看数据手册里Write Enable那条指令的时序图，CS上升沿那个位置画了一个锁存标记，这是硬件设计决定的。

还有一个测试时容易被误导的点：如果你用的W25Q64是全新出厂的，读出来是全FF，这不能说明通信有问题。所以读ID测试通常放在最开始做，因为ID值固定，能直观反映通信链路是否正常。

5.2 软件SPI的提速手段

很多朋友用软件SPI跑起来之后，第一个不满就是速度太慢。软件SPI在每个字节上都要花大量CPU时间去翻转GPIO，所以它的瓶颈不在协议本身，而在GPIO操作的开销上。想提速，有几个思路。

第一步，把GPIO操作从库函数换成寄存器直接操作。标准库的GPIO_SetBits和GPIO_ResetBits虽然方便，但每次调用都有函数压栈和参数检查的开销。改成操作GPIOA->BSRR寄存器，一个赋值完成置位或清零：

#define MOSI_LOW() GPIOA->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin_7 << 16 #define MOSI_HIGH() GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_7 #define SCLK_HIGH() GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_5 #define SCLK_LOW() GPIOA->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin_5 << 16

BSRR这个寄存器的设计很巧妙：低16位写1对应引脚置高，高16位写1对应引脚拉低，写0无影响。用寄存器操作之后，整个SwapByte函数体积小了很多，速度能提升好几倍。

第二步，缩短SPI_Delay的时间。在主频72MHz下，一条赋值语句几个周期就完成，SCLK周期只要不低于1微秒，W25Q64都能稳定工作。我实际测试过，把延时循环优化到只是简单空转几次，SCLK频率跑到接近1MHz依然稳定读写；再往上就要靠逻辑分析仪验证时序是否满足手册要求了。注意每个项目的走线寄生电容不同，提速要逐步试，不能一把梭。

第三步，如果数据量大到软件SPI实在顶不住，那就换硬件SPI。很多STM32的硬件SPI最高可以跑到18MHz，加上DMA，CPU几乎零负担。这个切换并不伤筋动骨，因为指令集逻辑完全一样，你只需要把SwapByte替换成SPI_I2S_SendData加等待标志位的操作，外围逻辑全部复用。这也是为什么我一直强调，先把软件SPI的时序逻辑搞懂再换硬件，这两者之间的鸿沟其实没有想象中那么大。

5.3 给软件SPI初学者的三条建议

第一，先接逻辑分析仪。哪怕是几十块钱的24MHz采样率逻辑分析仪，配合开源的PulseView软件，就能把SCLK、MOSI、MISO、CS四根线的时序全部抓下来，跟数据手册的时序图对照。调试SPI时的痛苦，80%都来源于“盲调”，看得见波形之后，问题定位速度会快一个数量级。

第二，不要嫌读ID这一步多余。无论是新板子还是新芯片，第一步永远是读ID确认通信正常。这个习惯我在公司里带新人时反复强调，它能快速把“代码问题”“接线问题”“芯片问题”分开，减少无意义的折腾时间。

第三，代码里把CS的高低电平宏定义独立出来，不要散落到处是GPIO操作。这样以后换引脚、换板子，改宏定义就可以直接准备编译，这也是软件SPI相对硬件SPI的最大优势。我有块测试板，前期用PA口做的软SPI，后来改板用了PB口，整个迁移过程不到五分钟，这种愉悦感硬件SPI给不了。

软件SPI这个东西，练的不是写代码的能力，而是对时序协议的理解。你把四根线的每一步都走了一遍，去读任何芯片的数据手册都有底气；哪天遇到硬件SPI解析不上来，也能用软件SPI去量、去对比、去找问题。这套底子打扎实了，后面学任何带时序的外设都会顺利很多。

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