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1. 为什么还要折腾 W25Q64 这颗老 Flash

W25Q64 这颗 8MB 的 SPI Flash，放在今天看参数确实不算亮眼，但它几乎是每个嵌入式工程师绕不开的一颗料。价格便宜、供货稳定、驱动简单、资料满地都是，做数据记录、字库存储、固件备份、参数保存，随手就能用上。我手上好几个量产项目，主控从 F103 换到 F407 再换到国产替代，存储这颗料一直没动过。

这次要聊的是 STM32F103 通过硬件 SPI 驱动 W25Q64 的完整流程。为什么强调"完整"？因为网上大部分教程只告诉你发个 0x9F 读 ID 就完事了，真到项目里你会发现：读出来全是 0xFF、写进去读出来对不上、跨页写数据丢失、擦除要等好几秒、DMA 一开就死机。这些问题不是靠抄一段代码能解决的，得把时序、状态机、页边界这些底层逻辑吃透。

这篇文章适合三类人：刚学完 SPI 协议想找个真实器件练手的初学者；手上有项目要存日志、存图片、存配置但不知道怎么选型的中级开发者；以及被 W25Q64 各种玄学问题折磨过、想系统梳理一遍的老手。我会从硬件连接讲到寄存器操作，从单字节读写讲到跨页处理和状态轮询，把每一步的"为什么"讲清楚，代码可以直接抄去用。

需要提前说明的是，下面涉及的引脚、时钟配置、参数计算都基于常见工程实践，具体到你的板子可能要微调，但思路是通用的。

2. 硬件层：先把线接对，再谈代码

2.1 W25Q64 的引脚定义与最小系统连接

W25Q64 是标准的 8 脚 SOP8 封装，引脚定义如下：

和 STM32F103 连接时，我一般这样分配：

• CS 接 PA4（普通 GPIO 推挽输出）
• CLK 接 PA5（SPI1_SCK）
• MISO 接 PA6（SPI1_MISO）
• MOSI 接 PA7（SPI1_MOSI）
• WP 和 HOLD 直接上拉到 3.3V

这里有个新手最容易踩的坑：WP 和 HOLD 悬空。很多人觉得这两个脚不用就不接，结果写数据死活写不进去，或者读出来全是乱码。WP 低电平会锁死状态寄存器，HOLD 低电平会让芯片忽略时钟。最稳妥的做法就是各接一个 10K 上拉到 VCC，或者直接在代码里不使能这两个功能的前提下硬件上拉。

注意：W25Q64 是 3.3V 器件，虽然有些模块标称兼容 5V，但 IO 口耐压一般只到 VCC+0.3V。如果你用 5V 主控，务必加电平转换，否则用不了多久 IO 就挂了。

2.2 SPI 模式选择：为什么必须是 Mode 0 或 Mode 3

W25Q64 支持 SPI Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）和 Mode 3（CPOL=1, CPHA=1）。这两个模式的共同点是：数据在时钟上升沿采样，下降沿输出。区别只是空闲时时钟是高还是低。

STM32F103 的 SPI1 配置成 Mode 0 最省事：

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

分频系数选 4，在 72MHz 系统时钟下 SPI 时钟是 18MHz。W25Q64 标准读命令最高支持 50MHz，18MHz 完全够用且稳定。如果你追求速度，可以降到分频 2 跑 36MHz，但要注意 PCB 走线质量，杜邦线飞线的话 36MHz 很容易出错。

为什么强调 Mode 0？因为很多教程抄来抄去，CPOL 和 CPHA 配错，现象就是读 ID 能读到但读数据错位。判断方法很简单：读 0x9F 返回 0xEF 0x40 0x17 就说明时序对了，如果返回 0xFF 或者 0x00，先查模式再查接线。

2.3 片选信号的软件控制细节

STM32F103 的 SPI 支持硬件 NSS 和软件 NSS。我强烈建议用软件 NSS，也就是把 CS 当普通 GPIO 控制。原因有两个：一是硬件 NSS 在多主设备场景下容易出问题，二是软件控制更灵活，可以在命令之间插入任意延时。

CS 的操作逻辑是：拉低 → 发命令 → 发数据 → 拉高。注意最后拉高之前要确保最后一个字节的时钟已经发完，否则命令可能不完整。我一般会在拉高前加一个while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);等待总线空闲。

void W25Q64_CS_Low(void) { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); } void W25Q64_CS_High(void) { while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); }

这个 BSY 等待是很多教程漏掉的，不加的话在高速读写时会出现最后一个字节丢失，现象是偶尔读出来的数据差一位。

3. 命令层：W25Q64 的指令集与状态机

3.1 核心指令速查与使用场景

W25Q64 的指令有几十条，但真正常用的就十来条。我整理了一张表，按使用频率排序：

这里重点说三个新手最容易搞错的点。

第一，写之前必须发 Write Enable。W25Q64 上电后默认是写保护状态，任何写或擦除操作前都要先发 0x06。而且这个使能是"一次性"的，每次写/擦除前都要重新发。我见过有人发一次 0x06 然后连续写好几个扇区，结果只有第一个成功。

第二，擦除的最小单位是扇区（4KB）。你不能直接往一个地址写数据，必须先擦除整个扇区。擦除后该扇区所有字节变成 0xFF。这意味着如果你要修改一个字节，得先把整个扇区读到 RAM，改完再擦除写回。这是 Flash 的物理特性决定的，NOR Flash 只能把 1 写成 0，不能把 0 写成 1。

第三，Page Program 一次最多写 256 字节。W25Q64 的页大小是 256 字节，跨页写会回卷到页首覆盖之前的数据。这个坑我在项目里踩过，当时写 300 字节的配置结构体，后 44 字节把前 44 字节覆盖了，查了一整天才发现问题。

3.2 状态寄存器与 BUSY 位轮询

W25Q64 的状态寄存器 1 的 bit0 是 BUSY 位，bit1 是 WEL（写使能锁存）位。擦除和写入操作是异步的，发完命令后芯片内部还在忙，这时候你发下一条命令它是不理的。

轮询 BUSY 位的标准写法：

void W25Q64_WaitForWriteEnd(void) { uint8_t status = 0; W25Q64_CS_Low(); SPI_ReadWriteByte(0x05); do { status = SPI_ReadWriteByte(0xFF); } while((status & 0x01) == 0x01); W25Q64_CS_High(); }

扇区擦除典型耗时 45ms，最大 400ms；页编程典型 0.7ms，最大 3ms。如果你不轮询直接发下一条命令，轻则数据丢失，重则芯片进入异常状态需要重新上电。

实操心得：在调试阶段，我习惯在轮询里加一个超时计数器，比如循环 10 万次还没结束就返回错误。这样能避免因为硬件问题导致程序卡死在 while 里。

3.3 读 ID 验证：上电第一件事

每次上电初始化后，第一件事就是读 JEDEC ID 确认通信正常。W25Q64 的 ID 是 0xEF4017，其中 0xEF 是厂商代码，0x4017 是容量代码。

uint32_t W25Q64_ReadID(void) { uint32_t id = 0; W25Q64_CS_Low(); SPI_ReadWriteByte(0x9F); id |= SPI_ReadWriteByte(0xFF) << 16; id |= SPI_ReadWriteByte(0xFF) << 8; id |= SPI_ReadWriteByte(0xFF); W25Q64_CS_High(); return id; }

如果读出来是 0xFFFFFF，说明 MISO 没接好或者 CS 没拉低；如果是 0x000000，说明 MOSI 或 CLK 有问题；如果是 0xEF4018，那是 W25Q128，容量翻倍但驱动兼容。这个自检步骤能帮你快速定位 80% 的硬件问题。

4. 读写全流程：从单字节到跨页处理

4.1 扇区擦除的完整实现与耗时实测

擦除是写入的前提。以扇区擦除为例，地址要对齐到 4KB 边界，比如 0x000000、0x001000、0x002000。

void W25Q64_SectorErase(uint32_t addr) { W25Q64_WriteEnable(); W25Q64_WaitForWriteEnd(); W25Q64_CS_Low(); SPI_ReadWriteByte(0x20); SPI_ReadWriteByte((addr >> 16) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte((addr >> 8) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte(addr & 0xFF); W25Q64_CS_High(); W25Q64_WaitForWriteEnd(); }

地址是 24 位的，因为 W25Q64 容量 8MB = 2^23 字节，需要 23 位地址，用 3 个字节传输。

我实测过不同操作的耗时，用逻辑分析仪抓的：

全片擦除要 20 秒，这个在需要快速启动的场景里是灾难。所以我的做法是：只在首次使用或固件升级时全片擦除，平时用扇区擦除按需处理。

4.2 页编程的边界陷阱与跨页写方案

前面提到 Page Program 一次最多 256 字节且不能跨页。那如果我要写 1000 字节怎么办？答案是拆分成多次页编程，每次不超过页边界。

void W25Q64_Write(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { uint16_t pageRemain = 256 - (addr % 256); while(len > 0) { uint16_t writeLen = (len < pageRemain) ? len : pageRemain; W25Q64_PageProgram(addr, buf, writeLen); addr += writeLen; buf += writeLen; len -= writeLen; pageRemain = 256; } }

这段代码的核心是pageRemain的计算：当前地址距离本页末尾还有多少字节。第一次写可能不足 256，写完后地址对齐到新页，后续每次都是完整 256 字节。

注意：跨页写不是不能做，而是芯片内部会回卷。比如你在地址 0x0000F0 写 32 字节，实际会写到 0x0000F0~0x0000FF 和 0x000000~0x00000F，把开头的数据覆盖了。这个行为在数据手册里有说明，但很多人不看。

4.3 数据读取：普通读与快速读的区别

读数据用 0x03 命令，发完 24 位地址后就可以连续读，地址自动递增，可以一直读到芯片末尾。

void W25Q64_Read(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { W25Q64_CS_Low(); SPI_ReadWriteByte(0x03); SPI_ReadWriteByte((addr >> 16) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte((addr >> 8) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte(addr & 0xFF); while(len--) { *buf++ = SPI_ReadWriteByte(0xFF); } W25Q64_CS_High(); }

0x03 普通读最高支持 50MHz，但有个限制：它需要额外的 8 个时钟周期做 dummy。0x0B 快速读也是 8 个 dummy，但支持更高频率。在 18MHz 下两者没区别，用 0x03 就行。

读操作不需要写使能，也不需要轮询 BUSY，因为读是即时的。但要注意 CS 拉高后要等 BSY 清零，否则连续读之间可能出错。

4.4 写使能、擦除、写入、校验的标准时序

把上面的操作串起来，一个完整的"写一段数据"流程是这样的：

1. 计算目标地址所在的扇区，读出整个扇区到 RAM 缓冲区
2. 在缓冲区里修改要写的数据
3. 发 Write Enable (0x06)
4. 发 Sector Erase (0x20)，轮询 BUSY 直到完成
5. 发 Write Enable (0x06)
6. 分页调用 Page Program (0x02)，每次轮询 BUSY
7. 读回数据比对校验

这个"读-改-写"模式是 Flash 操作的标准范式。如果你要频繁修改小数据，建议在 RAM 里维护一个缓存，攒够一个扇区再统一写，能大幅延长 Flash 寿命。W25Q64 的擦写寿命是 10 万次，听起来很多，但如果你每秒写一次，一天就 86400 次，两天就报废一个扇区。

5. 性能优化与稳定性提升

5.1 DMA 加速：什么时候值得上

18MHz 的 SPI 读 8MB 数据需要约 3.7 秒，如果 CPU 全程参与，这 3.7 秒什么都干不了。用 DMA 可以把 CPU 解放出来。

STM32F103 的 SPI1 支持 DMA1 通道 2（RX）和通道 3（TX）。配置好 DMA 后，读数据只需要启动 DMA，然后等传输完成中断。

void W25Q64_Read_DMA(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len) { W25Q64_CS_Low(); SPI_ReadWriteByte(0x03); SPI_ReadWriteByte((addr >> 16) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte((addr >> 8) & 0xFF); SPI_ReadWriteByte(addr & 0xFF); DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE); DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2, len); DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE); SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Rx, ENABLE); while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2) == RESET); DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2); SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Rx, DISABLE); W25Q64_CS_High(); }

但 DMA 不是万能的。小数据量（小于 64 字节）用 DMA 反而更慢，因为配置 DMA 本身有开销。我的经验是：超过 256 字节的连续读用 DMA，小数据直接轮询。

踩坑记录：DMA 读的时候 CS 拉高时机很关键。如果 DMA 传输完成中断里立刻拉高 CS，可能最后一个字节还没移出。正确做法是等 SPI 的 BSY 标志清零再拉高。

5.2 双缓冲与扇区缓存策略

前面说的"读-改-写"如果每次都读整个扇区，效率很低。我的做法是在 RAM 里维护一个 4KB 的扇区缓存，记录当前缓存的扇区号。写数据时先改缓存，标记脏位，等缓存满了或者主动 flush 时再写回 Flash。

这个策略在日志系统里特别有用。比如你要记录传感器数据，每条 16 字节，攒够 256 条正好 4KB，一次性擦除写入，比每条都擦写效率高几百倍。

5.3 掉电保护与数据完整性

Flash 写入过程中掉电是灾难性的，可能整个扇区数据损坏。两个应对措施：

一是写前备份。在另一个扇区保存一份旧数据，写入成功后再更新备份。这样掉电后可以从备份恢复。

二是加校验。每个数据块加 CRC16 或 CRC32，读出来先校验再使用。我一般用 CRC16-CCITT，计算快，检错率够用。

typedef struct { uint32_t magic; uint16_t len; uint16_t crc; uint8_t data[250]; } FlashBlock_t;

magic 用于识别有效块，crc 用于校验数据完整性。读出来先查 magic 再算 crc，两个都过才认为数据有效。

6. 常见问题排查实录

6.1 读出来全是 0xFF 或 0x00

这是最高频的问题。0xFF 通常意味着：芯片没响应（CS 或 CLK 问题）、地址超出范围、或者数据确实没写过（擦除后就是 0xFF）。0x00 通常是 MISO 被拉死或者 SPI 模式配错。

排查顺序：先读 ID，ID 对说明通信正常；ID 不对查接线和模式。ID 对但数据不对，查地址和擦除状态。

6.2 写入后读出来不一致

九成是跨页写导致的覆盖，或者忘了发 Write Enable。还有一个隐蔽原因：写入后没等 BUSY 清零就读，读到的还是旧数据。记住每次写/擦除后都要WaitForWriteEnd。

6.3 擦除时间过长导致看门狗复位

扇区擦除最大 400ms，如果你的看门狗喂狗周期是 200ms，擦除期间没喂狗就会复位。解决办法是在轮询 BUSY 的循环里喂狗，或者临时关闭看门狗。

6.4 SPI 时钟过快导致偶发错误

杜邦线飞线的情况下，SPI 时钟超过 20MHz 就容易出错。现象是大部分数据对，偶尔几个字节错。降到 9MHz（分频 8）试试，如果稳定了就是信号完整性问题。PCB 走线短且阻抗匹配的话，36MHz 也能跑。

6.5 问题速查表

7. 我在这颗料上踩过的坑和一点经验

W25Q64 这颗料我用了快八年，从最早的 SPI 轮询到后来的 DMA、QSPI，坑踩了不少。最大的体会是：数据手册一定要看，而且要对着时序图看。很多问题不是代码写错了，而是对芯片行为的理解有偏差。比如 Page Program 的回卷行为、擦除的异步特性、状态寄存器的位定义，这些都在手册里写得清清楚楚，但很多人习惯抄代码不看手册，出了问题就抓瞎。

另一个经验是分层设计。把底层 SPI 读写、中间命令封装、上层数据管理分成三层，底层只负责字节收发，中间层实现擦除/写入/读取，上层做缓存和校验。这样换芯片的时候只需要改中间层，上层逻辑不动。我后来把 W25Q64 换成 W25Q128、换成 GD25Q64，上层代码一行没改。

最后说个实用技巧：调试阶段在 Flash 里划一块区域专门存调试日志，记录每次操作的地址、长度、返回值。出问题的时候读出来一看就知道哪一步错了，比单步调试快得多。这块区域固定用最后一个扇区，不参与业务数据管理，量产前再关掉。

如果你也在用这颗料，或者正准备用，希望这篇东西能帮你少走点弯路。SPI Flash 不难，难的是把细节做扎实。