N32G455 W25Q128 SPI NOR Flash 驱动与非阻塞擦写实践

W25Q128 驱动使用硬件 SPI 轮询收发。下面系统记录引脚映射、跨页拆分、写保护检查，以及将页编程和扇区擦除拆为启动、查询两步的非阻塞做法。多外设调度参考见 N32G455 SPI 与 DMA 配置参考。

芯片特性与驱动概览

W25Q128 是 Winbond 128 Mbit（16 MiB）标准 SPI NOR Flash，期望 24 位 JEDEC ID 为 0xEF4018（0xEF 代表 Winbond，0x40 代表存储器类型，0x18 代表 128 Mbit 容量）。

硬件连接与 SPI3 重映射

引脚分配

本板通过 GPIO_RMP3_SPI3（即 AFIO_RMP_CFG3 的 SPI3_RMP = 11）将 SPI3 重映射至 PC3 / PA0 / PA1，片选 /CS 由 PA2 软件控制：

初始化时钟与重映射代码如下：

RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_AFIO |
                        RCC_APB2_PERIPH_GPIOA |
                        RCC_APB2_PERIPH_GPIOC, ENABLE);
RCC_EnableAPB1PeriphClk(RCC_APB1_PERIPH_SPI3, ENABLE);
GPIO_ConfigPinRemap(GPIO_RMP3_SPI3, ENABLE);

全双工单字节收发规则

SPI3 工作在双线全双工模式，即使只向 Flash 发送命令或地址，MISO 也会同步移入字节。每次写入 SPI_DAT 后必须等待 RNE (RXNE) 并读走 SPI_DAT，否则下一字节会触发 OVR（接收溢出）；整段命令或数据结束后，必须等待 BUSY 标志清零才能拉高 PA2 (/CS)。

存储组织与 NOR Flash 物理写入规则

读写时需要注意三个限制：

1. 先擦后写（只允许 1 → 0）：扇区擦除后所有位变为 1（字节为 0xFF），页编程只能把 1 改写为 0；若要把 0 变回 1，必须先擦除整个 4 KiB 扇区。驱动层 W25q128_Write() 不会隐式替调用方擦除扇区。
2. 256 字节页回绕边界：单次 Page Program (0x02) 若跨越 256 字节页尾（address & 0xFF 溢出），芯片内部地址会回绕覆盖当前页首部。因此 W25q128_Write() 每次计算 pageRemain = 256 - (address & 255)，在页边界处自动拆分为多笔页编程事务。
3. 4 KiB 扇区对齐检查：扇区擦除传入的 address 若不满足 (address & 0xFFFU) == 0，驱动直接返回 W25Q128_STATUS_INVALID_PARAM，防止误擦除相邻数据。

已实现命令与状态寄存器保护核查

命令列表

状态寄存器与写保护检查

状态寄存器 1（SR1，0x05）的核心位定义如下：

每次发送 Write Enable (0x06) 后，驱动都会立即读回 SR1 校验 WEL == 1；若 WEL 未置位，立即返回 W25Q128_STATUS_WRITE_ENABLE_FAILED。

此外，上层记录存储服务在挂载前会调用 W25q128_ReadStatusRegisters() 同时读取 SR1、SR2、SR3，保守要求：

• SR1 的 BP[2:0] == 0；
• SR2 的 CMP == 0；
• SR3 的 WPS == 0。

任一保护位非零时拒绝写入，且驱动绝不主动下发改写状态寄存器的指令，防止意外将 Flash 锁成只读状态。

为什么需要非阻塞页编程与扇区擦除

在开启独立看门狗（窗口约 1 s）和 AD7190 高频连续采样后，一次 4 KiB 扇区擦除在物理上需要 45～400 ms（实测约 88 ms）。如果主循环直接调用阻塞式 W25q128_SectorErase() 原地死等 BUSY == 0，会导致：

• 主循环停摆近百毫秒，按键消抖掉帧、LCD 8 行条带刷新卡顿；
• AD7190 的 255 帧环形队列可能逼近高水位；
• 连续擦除多个扇区时直接触发看门狗复位。

一次擦写包含两个阶段：

• SPI 命令下发阶段：发送 0x06 + 0x20 + 3 字节地址仅占几个微秒；即使是 256 字节满页编程，在 8 MHz SCLK 下线上数据传输也仅需 约 0.256 ms；
• 芯片内部电荷擦写阶段：拉高 /CS 后，Flash 内部高压泵独自工作数毫秒至数百毫秒，此时完全不需要占用 MCU。

因此驱动提供了一组单事务非阻塞接口：

w25q128_status_t W25q128_PageProgramStart(uint32_t address, const uint8_t *data, uint16_t length);
w25q128_status_t W25q128_SectorEraseStart(uint32_t address);
w25q128_status_t W25q128_ReadBusy(bool *busy);
w25q128_status_t W25q128_PollOperation(bool *completed);
bool             W25q128_IsOperationActive(void);

非阻塞状态推进流程如下：

1. 调用 Start 接口（PageProgramStart 或 SectorEraseStart）：
   ├─ 校验地址、单页不跨界或 4 KiB 扇区对齐
   ├─ 若驱动已有活动事务，或单次读 SR1 发现硬件 BUSY=1 → 立即返回 W25Q128_STATUS_BUSY
   ├─ 发送 0x06 并确认 WEL = 1
   ├─ 记录活动事务上下文与起始时间戳（100 ms / 1000 ms 超时）
   └─ 发送 0x02+地址+数据（≤ 0.26 ms）或 0x20+地址，拉高 CS 后立即返回主循环

2. 主循环每轮调用 W25q128_PollOperation(&completed)：
   ├─ 发送一次 0x05 读取 1 字节 SR1（耗时仅数微秒）
   ├─ 若 BUSY == 0：清除活动事务标志，置 *completed = true，返回 OK
   ├─ 若 BUSY == 1 且未超时：置 *completed = false，立即返回 OK 让主循环继续运行
   └─ 若 BUSY == 1 且超出截止时间：返回 TIMEOUT，但保持事务隔离直到物理 BUSY 真正清零

在非阻塞事务活动期间（W25q128_IsOperationActive() == true），任何普通 Read、重复 Start 或同步擦写都会被驱动拦截并返回 W25Q128_STATUS_BUSY，避免同一执行上下文中的事务交叉。

最小探测与读写自检示例

#include "drv_w25q128.h"

/* 1. 启动阶段探测 JEDEC ID */
static w25q128_status_t Flash_Probe(void)
{
    uint32_t jedecId = 0U;
    w25q128_status_t status;

    status = W25q128_Init();
    if (status != W25Q128_STATUS_OK)
    {
        return status;
    }

    status = W25q128_ReadJedecId(&jedecId);
    if (status != W25Q128_STATUS_OK)
    {
        return status;
    }

    return (jedecId == W25Q128_JEDEC_ID) ? W25Q128_STATUS_OK
                                         : W25Q128_STATUS_ID_MISMATCH;
}

/* 2. 主循环中推进非阻塞扇区擦除 */
static void Flash_NonBlockingEraseExample(uint32_t sectorAddr)
{
    bool completed = false;

    if (!W25q128_IsOperationActive())
    {
        (void)W25q128_SectorEraseStart(sectorAddr);
        return;
    }

    if (W25q128_PollOperation(&completed) == W25Q128_STATUS_OK && completed)
    {
        /* 扇区擦除已在后台完成，可安全发起后续页编程或读取 */
    }
}

常见故障排查表