Linux SPI接口是Linux内核中提供的一种同步串行外设接口（Serial Peripheral Interface）实现，广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器、传感器、存储芯片等外围设备，本文将从SPI协议基础、Linux SPI子系统架构、设备树配置、驱动开发以及实际应用场景等方面，全面介绍Linux SPI接口的相关知识。
SPI协议基础
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种四线同步串行通信协议，由主设备（Master）和从设备（Slave）组成，通过四条核心信号线完成数据传输：
- SCLK（Serial Clock）：由主设备产生的时钟信号，同步数据传输。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出、从设备输入的数据线。
- MISO（Master In Slave Out）：主设备输入、从设备输出的数据线。
- CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，由主设备控制，用于选择通信的从设备。
SPI支持全双工通信,数据传输速率较高（通常可达数十MHz），并通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）配置实现四种不同的传输模式，适应不同设备的时序要求。
Linux SPI子系统架构
Linux SPI子系统采用分层设计，主要包括以下核心组件：
-
核心层（Core Layer）
位于drivers/spi/目录，负责SPI核心逻辑的实现，包括SPI控制器驱动框架、设备管理、传输队列处理等，核心层定义了spi_master、spi_device、spi_transfer等关键数据结构，为上层驱动提供统一接口。 -
控制器驱动层（Controller Driver）
针对具体的SPI控制器硬件（如树莓派的SPI、STM32的SPI等）编写的驱动程序，负责初始化硬件、传输数据、管理中断等，控制器驱动需要实现spi_master结构体中的关键方法，如setup()、transfer()、cleanup()等。 -
设备驱动层（Device Driver）
针对特定SPI从设备（如ADC、Flash、显示屏等）的驱动程序，通过调用核心层提供的接口完成数据收发，设备驱动通常通过spi_write()、spi_read()等函数与硬件交互。
设备树配置
在嵌入式Linux系统中,SPI设备通常通过设备树（Device Tree）进行描述，设备树中需要定义SPI控制器节点和从设备节点，并配置以下属性：
-
控制器节点：
compatible属性（如”brcm,bcm2835-spi”）、reg属性（控制器寄存器地址）、interrupts属性（中断号）等。 -
从设备节点：
compatible属性（设备标识）、reg属性（从设备片选地址）、spi-max-frequency（最大通信频率）、spi-cpha和spi-cpol（时钟模式）等。
示例：树莓派SPI从设备配置
&spi0 {
status = "okay";
spidev0@0 {
compatible = "spidev,0";
reg = <0>;
spi-max-frequency = <500000>;
};
};
SPI驱动开发
控制器驱动开发
控制器驱动需要实现spi_master结构体中的关键回调函数：
num_chipselect：支持的片选数量。setup：配置SPI设备（如时钟频率、模式等）。transfer_one：执行一次SPI数据传输。cleanup：释放设备资源。
设备驱动开发
设备驱动开发步骤如下：
- 注册SPI设备：通过
spi_alloc_device()和spi_add_device()函数注册设备。 - 数据传输：使用
spi_sync()（同步传输）或spi_async()（异步传输）完成数据收发。 - 资源释放：通过
spi_unregister_device()和spi_dev_put()释放资源。
示例代码：SPI读取传感器数据
struct spi_device *spi_dev;
struct spi_transfer transfer;
struct spi_message msg;
u8 tx_buf[2] = {0x01, 0x02}; // 发送缓冲区
u8 rx_buf[2]; // 接收缓冲区
transfer.tx_buf = tx_buf;
transfer.rx_buf = rx_buf;
transfer.len = 2;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&transfer, &msg);
spi_sync(spi_dev, &msg);
SPI工具与调试
Linux提供了多种工具用于SPI调试和测试：
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spidev工具：
通过/dev/spidevX.Y设备文件直接操作SPI接口，支持读写操作。# 发送数据0x01 0x02，接收数据保存到rx.bin spidev_test -D /dev/spidev0.0 -p "01 02" -r 2 -o rx.bin
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sysfs接口：
通过/sys/class/spi_master/和/sys/class/spi_device/查看SPI设备信息，如频率、模式等。 -
内核调试：
启用SPI调试日志（CONFIG_SPI_DEBUG=y），通过dmesg查看调试信息。
应用场景与优化
典型应用场景
- 传感器数据采集：连接温度、湿度、加速度等传感器（如ADXL345）。
- 存储扩展：使用SPI Flash（如W25Q32）存储固件或数据。
- 显示驱动：驱动OLED、TFT-LCD等显示屏（如SSD1306）。
- 通信模块：连接Wi-Fi、蓝牙模块（如ESP32）。
性能优化
- DMA传输：启用DMA减少CPU占用，提高传输效率。
- 批量传输：合并多个小数据包为批量传输，减少SPI事务开销。
- 时钟配置：根据设备特性合理设置
spi-max-frequency，避免超频导致通信失败。
Linux SPI接口通过分层设计和标准化接口，为开发者提供了灵活高效的SPI通信解决方案，无论是简单的传感器连接，还是复杂的显示驱动开发，SPI都能满足嵌入式系统的需求，在实际应用中，合理配置设备树、优化驱动代码以及使用调试工具，可以进一步提升SPI通信的稳定性和性能，随着物联网和嵌入式系统的普及，Linux SPI接口将继续在硬件交互中发挥重要作用。
