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嵌入式驱动开发详解14（SPI驱动架构实现）

news 来源：原创 2025/7/13 7:07:50

文章目录

前言
SPI简介
- SPI介绍
- SPI工作模式
- SPI特点
驱动开发
- 驱动架构
- SPI控制器驱动
- SPI设备驱动
- SPI 设备和驱动匹配过程
- SPI其他相关API函数
参考文献

前言

SPI 是很常用的串行通信协议，可以通过 SPI 来连接众多的传感器，相比 I2C 接口，SPI 接口的通信速度很快，I2C 最多 400KHz，但是 SPI 可以到达几十 MHz。本文章主要讲解SPI串行通信协议相关的基本内容和在Linux操作系统下如何进行SPI外设的开发。

SPI简介

SPI介绍

SPI 全称是 Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI 是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工的同步通信总线，SPI 时钟频率相比 I2C 要高很多，最高可以工作在上百 MHz。

SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般 SPI 需要 4 根线，但是也可以使用三根线(单向传输)，这四根线如下：
①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。 I2C 主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的，SPI 主机不需要发送从机设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可。
②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和 I2C 的 SCL 一样，为 SPI 通信提供时钟。
③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。
④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出信号线，这根数据线只能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。
SPI 通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号，如下图所示：
在这里插入图片描述
SPI 的传输方式：
全双工通信：在任何时刻，主机与从机之间都可以同时进行数据的发送和接收。
单工通信：在同一时刻，只有一个传输的方向，发送或者是接收。
半双工通信：在同一时刻，只能为一个方向传输数据。
单工和双工的区别在于是否能同时发送或者接收，全或者半的区别在于是双向的还是单向的。

SPI工作模式

SPI 有四种工作模式

CPOL，详称Clock Polarity，就是时钟极性，当主从机没有数据传输的时候 SCL 线的电平状态(即空闲状态)。假如空闲状态是高电平， CPOL = 1；若空闲状态时低电平，那么 CPOL = 0。
CPHA，详称Clock Phase，就是时钟相位。在这里先科普一下数据传输的常识：同步通信时，数据的变化和采样都是在时钟边沿上进行的，每一个时钟周期都会有上升沿和下降沿两个边沿，那么数据的变化和采样就分别安排在两个不同的边沿，由于数据在产生和到它稳定是需要一定的时间，那么假如我们在第 1 个边沿信号把数据输出了，从机只能从第 2 个边沿信号去采样这个数据。

通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式：
在这里插入图片描述

CPOL = 0&&CPHA = 0时序：由于配置了 CPOL = 0，可以看到当数据未发送或者发送完毕，SCL 的状态是低电平，再者 CPHA = 0 即是奇数边沿采集。所以传输的数据会在奇数边沿上升沿被采集，MOSI 和 MISO 数据的有效信号需要在 SCK 奇数边沿保持稳定且被采样，在非采样时刻， MOSI和 MISO 的有效信号才发生变化。
CPOL = 0&CPHA = 1 时序：由于 CPOL = 0，所以 SCL 的空闲状态依然是低电平，CPHA = 1 数据就从偶数边沿采样，至于是上升沿还是下降沿，从上图就可以知道，是下降沿。这里有一个误区，空闲状态是低电平的情况下，不是应该上升沿吗，为什么这里是下降沿？首先我们先明确这里是偶数边沿采样，那么看图就很清晰，SCL 低电平空闲状态下，上升沿是在奇数边沿上，下降沿是在偶数边沿上。
CPOL = 1&CPHA = 0 时序：只是这里是 CPOL = 1，即 SCL 空闲状态为高电平，在 CPHA = 0，奇数边沿采样的情况下，数据在奇数边沿下降沿要保持稳定并等待采样。
CPOL = 1&&CPHA = 1：可以看到未发送数据和发送数据完毕，SCL的状态是高电平，奇数边沿的边沿极性是上升沿，偶数边沿的边沿极性是下降沿。因为 CPHA= 1,所以数据在偶数边沿上升沿被采样。在奇数边沿的时候 MOSI 和 MISO 会发生变化，在偶数边沿时候是稳定的。

SPI特点

SPI的优点：
1. 全双工串行通信；
2. 高速数据传输速率。
3. 简单的软件配置；
4. 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
5. 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。
SPI的缺点：
1. 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
2. 通常仅支持一个主设备；
3. 需要更多的引脚（与I2C不同）；
4. 没有定义硬件级别的错误检查协议；
5. 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

驱动开发

驱动架构

SPI控制器驱动

SPI 主机驱动就是 SOC 的 SPI 控制器驱动，Linux 内核使用 spi_master 表示 SPI 主机驱动，spi_master 是个结构体，定义在 include/linux/spi/spi.h 文件中。

struct spi_master {struct device	dev;int			(*transfer)(struct spi_device *spi,struct spi_message *mesg);int (*transfer_one_message)(struct spi_master *master,struct spi_message *mesg);
};

transfer 函数，和i2c_algorithm 中的 master_xfer 函数一样，控制器数据传输函数。transfer_one_message 函数，也用于 SPI 数据发送，用于发送一个 spi_message， SPI 的数据会打包成 spi_message，然后以队列方式发送出去。也就是 SPI 主机端最终会通过 transfer 函数与 SPI 设备进行通信，
因此对于 SPI 主机控制器的驱动编写者而言 transfer 函数是需要实现的，因为不同的 SOC 其 SPI 控制器不同，寄存器都不一样。和 I2C 适配器驱动一样，SPI 主机驱动一般都是 SOC 厂商去编写的，所以我们作为 SOC 的使用者，这一部分的驱动就不用操心了，除非你是在 SOC 原厂工作，内容就是写 SPI 主机驱动。
SPI 主机驱动的核心就是申请 spi_master，然后初始化 spi_master，最后向 Linux 内核注册 spi_master。

spi_master 申请与释放
spi_alloc_master 函数用于申请 spi_master，函数原型如下：

struct spi_master *spi_alloc_master(struct device *dev, unsigned size)

spi_master 的释放通过 spi_master_put 函数来完成，当我们删除一个 SPI 主机驱动的时候就需要释放掉前面申请的 spi_master，spi_master_put 函数原型如下：

void spi_master_put(struct spi_master *master)

spi_master 的注册与注销
当 spi_master 初始化完成以后就需要将其注册到 Linux 内核，spi_master 注册函数为 spi_register_master，函数原型如下：

int spi_register_master(struct spi_master *master)

如果要注销 spi_master 的话可以使用 spi_unregister_master 函数，此函数原型为：

void spi_unregister_master(struct spi_master *master)

SPI 主机驱动一般都由 SOC 厂商编写好了，在设备树中可以看到以下内容：

ecspi3: ecspi@02010000 {address-cells = <1>;#size-cells = <0>;compatible = "fsl,imx6ul-ecspi", "fsl,imx51-ecspi";reg = <0x02010000 0x4000>;interrupts = <GIC_SPI 33 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;clocks = <&clks IMX6UL_CLK_ECSPI3>,<&clks IMX6UL_CLK_ECSPI3>;clock-names = "ipg", "per";dmas = <&sdma 7 7 1>, <&sdma 8 7 2>;status = "disabled";
}；

在 Linux 内核源码中搜素这两个属性值即可找到 I.MX6U 对应的 ECSPI(SPI) 主机驱动，I.MX6U 的 ECSPI 主机驱动文件为 drivers/spi/spi-imx.c，这个地方文件的命名与不同的芯片对应的名牌名称有关。对应的主机驱动（控制器驱动）也是通过platform架构实现的。

static struct platform_driver spi_imx_driver = {.driver = {.name = DRIVER_NAME,.of_match_table = spi_imx_dt_ids,.pm = IMX_SPI_PM,},.id_table = spi_imx_devtype,.probe = spi_imx_probe,.remove = spi_imx_remove,
};

spi_imx_probe 函数会从设备树中读取相应的节点属性值，申请并初始化 spi_master，最后调用 spi_bitbang_start 函数(spi_bitbang_start 会调用 spi_register_master 函数)向 Linux 内核注册 spi_master。

spi_imx_probe->设置spi_imx->bitbang.setup_transfer = spi_imx_setupxfer;//设置发送或者接收字节数量->设置spi_imx->bitbang.txrx_bufs = spi_imx_transfer->spi_imx_pio_transfer()->spi_imx_push()->spi_imx->tx(spi_imx);//发送函数配置->spi_bitbang_start->注册spi_register_master;->设置master->transfer_one_message = spi_bitbang_transfer_one;

spi_imx 是个 spi_imx_data 类型的机构指针变量，其中 tx 和 rx 这两个成员变量分别为 SPI 数据发送和接收函数，最终会将spi_bitbang_transfer_one函数配置为第二行的发生配置函数。

SPI设备驱动

spi 设备驱动和 i2c 设备驱动也很类似，Linux 内核使用 spi_driver 结构体来表示 spi 设备驱动，我们在编写 SPI 设备驱动的时候需要实现 spi_driver 。 spi_driver 结构体定义在 include/linux/spi/spi.h 文件中，结构体内容如下：

struct spi_driver {const struct spi_device_id *id_table;int			(*probe)(struct spi_device *spi);int			(*remove)(struct spi_device *spi);void			(*shutdown)(struct spi_device *spi);struct device_driver	driver;
};

spi_driver 注册函数为 spi_register_driver，函数原型如下：

int spi_register_driver(struct spi_driver *sdrv)

注销 SPI 设备驱动以后也需要注销掉前面注册的 spi_driver，使用 spi_unregister_driver 函数完成 spi_driver 的注销，函数原型如下：

void spi_unregister_driver(struct spi_driver *sdrv)

SPI 设备和驱动匹配过程

SPI 设备和驱动的匹配过程是由 SPI 总线来完成的，这点和 platform、I2C 等驱动一样，SPI 总线为 spi_bus_type，定义在 drivers/spi/spi.c 文件中，驱动的匹配函数为 spi_match_device。

struct bus_type spi_bus_type = {.name		= "spi",.dev_groups	= spi_dev_groups,.match		= spi_match_device,.uevent		= spi_uevent,
};

SPI其他相关API函数

spi_transfer 结构体用于描述 SPI 传输信息

struct spi_transfer {/* it's ok if tx_buf == rx_buf (right?)* for MicroWire, one buffer must be null* buffers must work with dma_*map_single() calls, unless*   spi_message.is_dma_mapped reports a pre-existing mapping*/const void	*tx_buf; //tx_buf 保存着要发送的数据。void		*rx_buf;  //rx_buf 用于保存接收到的数据。unsigned	len;dma_addr_t	tx_dma;dma_addr_t	rx_dma;struct sg_table tx_sg;struct sg_table rx_sg;unsigned	cs_change:1;unsigned	tx_nbits:3;unsigned	rx_nbits:3;
#define	SPI_NBITS_SINGLE	0x01 /* 1bit transfer */
#define	SPI_NBITS_DUAL		0x02 /* 2bits transfer */
#define	SPI_NBITS_QUAD		0x04 /* 4bits transfer */u8		bits_per_word;u16		delay_usecs;u32		speed_hz;struct list_head transfer_list;
};

spi_transfer 需要组织成 spi_message，spi_message 也是一个结构体
在使用 spi_message 之前需要对其进行初始化，spi_message 初始化函数为 spi_message_init，函数原型如下：

void spi_message_init(struct spi_message *m)

spi_message 初始化完成以后需要将 spi_transfer 添加到 spi_message 队列中，这里我们要用到 spi_message_add_tail 函数，此函数原型如下：

void spi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m)

spi_message 准备好以后就可以进行数据传输了，数据传输分为同步传输和异步传输，同步传输会阻塞的等待 SPI 数据传输完成，同步传输函数为 spi_sync，函数原型如下：

int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)

异步传输不会阻塞的等到 SPI 数据传输完成，异步传输需要设置 spi_message 中的 complete 成员变量，complete 是一个回调函数，当 SPI 异步传输完成以后此函数就会被调用。SPI 异步传输函数为 spi_async，函数原型如下：

int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)

参考文献

个人专栏系列文章
正点原子嵌入式驱动开发指南
对代码有兴趣的同学可以查看链接https://github.com/NUAATRY/imx6ull_dev