Linux SPI总线：架构、驱动与应用
SPI总线概述
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种全双工、同步的串行通信总线，由摩托罗拉公司于20世纪80年代推出，其设计初衷是为微控制器与外围设备（如传感器、存储器、显示屏等）提供高速、简洁的通信接口，SPI总线采用主从架构，支持多从设备配置，通过四条核心信号线实现数据传输：
- SCLK（Serial Clock）：由主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
- 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）：从设备选择线，每个从设备独立连接一条CS线，由主设备控制以激活特定从设备。
与I²C、UART等总线相比，SPI的优势在于传输速率高（可达数十Mbps）、协议简单且延迟低，但需要更多的引脚资源（每个从设备独占一条CS线），在Linux系统中，SPI总线通过统一的驱动框架和设备模型，为上层应用提供了标准化的访问接口。
Linux SPI子系统的架构
Linux SPI子系统采用分层设计，将硬件抽象、驱动实现与用户接口分离，以提高代码的可维护性和可扩展性，其核心架构包括以下三层：
核心层（Core Layer）
核心层由drivers/spi/目录下的代码实现，负责SPI总线的通用逻辑管理，包括：
- SPI控制器驱动：适配具体的SPI硬件控制器（如Microchip的MCP2515、德州仪器的SPI外设等），实现时钟生成、数据收发等底层功能。
- SPI协议处理：支持标准SPI模式（0-3，对应不同的时钟极性与相位）以及自定义协议扩展。
- 设备模型管理：通过
spi_master和spi_device结构体描述主控制器和从设备，利用Linux设备模型实现设备的动态注册与绑定。
设备层（Device Layer）
设备层包含具体的SPI从设备驱动,例如触摸屏驱动（如ads7846）、Flash存储驱动（如m25p80）等，这些驱动通过spi_driver结构体注册，并通过probe函数与设备树或ACPI描述的SPI设备匹配，设备树（Device Tree）是Linux SPI设备描述的主要方式，通过/spi@...节点定义控制器的物理地址、时钟频率、从设备CS线等信息。
用户接口层（User Interface Layer）
为便于用户空间程序访问SPI设备,Linux提供了/dev/spidevX.Y字符设备接口（如/dev/spidev0.0），用户可通过ioctl系统调用配置SPI模式、时钟频率、数据位数等参数，并使用read/write进行全双工数据传输。spidev-tools工具包提供了命令行工具（如spidev_test），便于调试SPI设备通信。
SPI驱动开发的关键步骤
在Linux环境下开发SPI驱动通常涉及以下步骤：
设备树配置
在设备树中定义SPI控制器和从设备节点,一个SPI从设备的节点可能包含以下属性：
spi_slave@0 {
compatible = "manufacturer,device";
reg = <0>; // CS片选线编号
spi-max-frequency = <10000000>; // 最大时钟频率（10MHz）
spi-cpha; // 时钟相位选择（模式1或3）
spi-cpol; // 时钟极性选择（模式2或3）
};
控制器驱动实现
SPI控制器驱动需实现spi_master结构体中的关键操作，如：
setup：配置从设备的传输参数（模式、频率等）。transfer：执行一次SPI数据传输（支持全双工、半双工等模式）。cleanup：释放控制器资源。
从设备驱动开发
从设备驱动通过spi_driver结构体注册，核心函数包括：
probe：当设备与驱动匹配时调用，完成硬件初始化、注册字符设备等操作。remove：设备卸载时调用，清理资源。transfer：实现具体的数据传输逻辑，如读取传感器数据或写入Flash存储器。
SPI总线的性能优化与挑战
SPI总线的高性能特性使其适用于实时性要求高的场景,但实际应用中仍需注意以下问题：
时钟频率与信号完整性
SPI时钟频率受硬件限制（如控制器能力、信号线长度），长距离传输时，高频信号易受电磁干扰（EMI），导致数据错误，解决方案包括：降低时钟频率、使用差分信号（如SPI over LVDS）或添加信号调理电路。
多从设备管理
每个从设备独占一条CS线,导致引脚资源消耗，为减少引脚占用，可采用以下方法：
- 菊花链配置：从设备级联连接，数据依次通过每个设备，但需从设备支持菊花链模式。
- GPIO模拟CS：通过通用IO口动态控制CS信号，但会增加软件开销。
并发与同步
SPI总线为全双工通信,但同一时刻仅能有一个从设备被激活，多任务访问SPI设备时需通过互斥锁（如mutex）或SPI核心层的spi_async接口实现同步，避免数据竞争。
应用场景与实例
SPI总线广泛应用于嵌入式系统,常见场景包括：
- 传感器数据采集：如加速度计（ADXL345）、陀螺仪（ITG-3200）等通过SPI与主控通信，提供高速数据传输。
- Flash存储：NOR Flash（如SST25VF016B）和SPI接口NAND Flash（如K9F1G08U0A）依赖SPI总线实现代码存储和固件更新。
- 显示驱动：OLED/LCD屏幕（如SSD1306）通过SPI接口传输图像数据，支持高刷新率显示。
- 工业通信：在CAN总线控制器（如MCP2515）中，SPI用于配置寄存器和收发数据帧。
以Linux驱动开发为例,一个简单的SPI从设备驱动框架如下：
#include <linux/spi/spi.h>
static int my_spi_probe(struct spi_device *spi) {
// 硬件初始化、设备注册等
return 0;
}
static const struct spi_device_id my_spi_id[] = {
{"my_device", 0},
{}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, my_spi_id);
static struct spi_driver my_spi_driver = {
.driver = {
.name = "my_spi_device",
},
.probe = my_spi_probe,
.id_table = my_spi_id,
};
module_spi_driver(my_spi_driver);
Linux SPI总线通过标准化的驱动框架和设备模型，为开发者提供了高效、灵活的串行通信解决方案，其分层架构简化了驱动开发流程，而丰富的工具链和社区支持进一步降低了应用门槛，尽管在多设备管理和信号完整性方面存在挑战，但通过合理的设计和优化，SPI总线仍将在嵌入式系统、物联网设备和工业控制等领域发挥重要作用，随着高速接口需求增长，SPI协议的演进（如双/四线传输模式）与Linux内核的适配将持续推动其技术发展。
