【Linux驱动开发】第21天：SPI总线协议与SPI子系统基础理解

一、SPI总线协议基础

1. 硬件结构：4线制同步串行总线

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种全双工、同步、主从架构的串行总线，标准模式下需要4根信号线，比I2C多2根，但通信能力更强。

信号线	全称	方向	作用
SCLK	Serial Clock	主→从	串行时钟，由主设备产生，控制通信节奏
MOSI	Master Out, Slave In	主→从	主设备发、从设备收的数据线
MISO	Master In, Slave Out	从→主	从设备发、主设备收的数据线
CS/SS	Chip Select / Slave Select	主→从	片选信号，低电平有效，每个从设备独占一根，选中哪个哪个才工作

核心特点：

单主多从：一条SPI总线上只能有1个主设备，可以挂多个从设备，靠独立的CS线区分从设备，没有I2C那样的"从设备地址"概念。
全双工通信：两根独立数据线，发送和接收可以同时进行；而I2C只有一根数据线，是半双工，同一时间只能单向传输。
同步通信：所有数据都跟着SCLK时钟走，主设备控制时钟频率，从设备被动跟随，不需要各自的时钟源。

2. 主从模式通信原理

SPI通信的本质是移位寄存器的同步移位：主设备和从设备各有一个移位寄存器，SCLK每跳变一次，两边同时移出1位数据到对方的寄存器里。

一个完整的字节传输过程：

主设备拉低对应从设备的CS线，选中该从设备
主设备产生SCLK时钟，按照设定的频率和极性跳变
每个时钟周期：
- 主设备通过MOSI发出1位数据，同时从MISO采样1位数据
- 从设备通过MISO发出1位数据，同时从MOSI采样1位数据
8个时钟周期后，双方完成1个字节的交换
主设备拉高CS线，结束本次通信

通俗理解：SPI通信就像两个人面对面同时交换纸条，你写一个字给我的同时，我也写一个字给你，节拍由其中一个人（主设备）统一打拍子控制。

3. 四种工作模式（CPOL + CPHA）

SPI通过两个参数配置时序，组合成4种标准模式，不同外设可能要求不同模式，驱动必须和外设匹配。

参数	全称	含义
CPOL	Clock Polarity	时钟极性：SCLK空闲时的电平。0=空闲低，1=空闲高
CPHA	Clock Phase	时钟相位：在第几个时钟边沿采样数据。0=第一个边沿，1=第二个边沿

模式0（最常用）：CPOL=0，CPHA=0 → 空闲时钟低，第一个上升沿采样数据
模式1：CPOL=0，CPHA=1 → 空闲时钟低，第一个下降沿采样数据
模式2：CPOL=1，CPHA=0 → 空闲时钟高，第一个下降沿采样数据
模式3（次常用）：CPOL=1，CPHA=1 → 空闲时钟高，第一个上升沿采样数据

二、Linux SPI子系统架构

和I2C完全对应，Linux SPI子系统也是经典的三层架构，思路和I2C高度一致，只是结构体和API名称不同。

复制代码

┌─────────────────────────────────┐
│      SPI设备驱动层（spi_driver） │
│  外设业务逻辑：Flash、屏、ADC等   │
├─────────────────────────────────┤
│        SPI核心层（spi-core）     │
│  通用API、设备管理、驱动匹配      │
├─────────────────────────────────┤
│   SPI控制器驱动层（spi_master）  │
│  硬件控制器操作：RK3399 SPI驱动   │
└─────────────────────────────────┘

1. 第一层：SPI控制器驱动层

定位：最底层，直接操作SoC内置的SPI控制器硬件
核心结构体 ：struct spi_master
- 代表一个SPI控制器（主机）
- 包含控制器的硬件信息、时钟、中断、DMA等资源
核心职责 ：
1. 初始化SPI控制器硬件（时钟、引脚、中断、DMA）
2. 配置SPI模式、时钟频率、位宽等参数
3. 实现数据传输接口，向上层提供统一的传输能力
RK3399对应源码 ：drivers/spi/spi-rockchip.c

2. 第二层：SPI核心层

定位：中间桥梁，对上下提供统一接口，隔离硬件和业务
核心源码 ：drivers/spi/spi.c
核心职责 ：
1. 提供spi_master的注册/注销API
2. 提供SPI设备驱动的注册/注销API
3. 实现设备树匹配、设备-驱动绑定机制
4. 封装通用传输逻辑（消息队列、同步/异步处理）
5. 提供通用API供设备驱动调用，屏蔽硬件差异
对开发者的意义：写SPI外设驱动时，只需要调用核心层API，完全不用关心底层是RK3399还是其他平台的控制器。

3. 第三层：SPI设备驱动层

定位：最上层，实现具体外设的业务逻辑
核心结构体 ：
- struct spi_device：代表一个SPI从设备，包含片选号、模式、时钟频率、所属控制器等信息
- struct spi_driver：代表一个SPI设备驱动，包含probe、remove、匹配表等
常见外设：W25Q系列SPI Flash、OLED/LCD显示屏、ADC芯片、以太网网卡、CAN控制器等
开发方式 ：注册spi_driver，通过核心层提供的传输API和外设通信。

三、SPI核心传输机制

1. 两个核心传输结构体

SPI用两层结构描述一次传输：

结构体	作用
`struct spi_transfer`	单次传输单元，描述一段连续的收发数据
`struct spi_message`	一次完整的SPI事务，由一个或多个`spi_transfer`组成

特点：

一个spi_message中的所有传输，共用同一个CS片选状态（CS全程保持低电平）
每个spi_transfer可以单独配置长度、速度、位宽等
传输完成后，CS才会拉高，结束本次事务

2. 两种传输方式

（1）同步传输：`spi_sync`

阻塞等待传输完成，函数返回时数据已经收发完毕
用法简单，适合大多数场景
原型：int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)

（2）异步传输：`spi_async`

非阻塞，函数立即返回，传输完成后通过回调函数通知
适合高并发、大流量场景
原型：int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)

3. 便捷封装API

为了简化使用，核心层封装了常用的单字节、多字节读写函数：

spi_write()：写数据
spi_read()：读数据
spi_write_then_read()：先写后读（最常用，比如写寄存器地址再读数据）

四、I2C vs SPI 全方位对比

1. 核心参数对比表

维度	I2C	SPI
信号线数量	2根（SCL+SDA）	标准4根（SCLK+MOSI+MISO+CS），多从设备需额外CS线
寻址方式	7/10位软件地址，所有设备共用总线	硬件片选线，每个从设备独占一根CS
通信方式	半双工，同一时间只能单向传输	全双工，收发同时进行
同步方式	同步，主设备控时钟	同步，主设备控时钟
典型速率	标准100Kbps，快速400Kbps，高速3.4Mbps	几十Mbps很常见，高端可到上百Mbps
从设备数量	理论最多127个（7位地址），受总线电容限制	受CS引脚数量限制，一般几个到十几个
协议复杂度	有起始/停止、ACK应答、仲裁机制，协议复杂	无固定帧格式，无应答，无仲裁，协议简单
硬件成本	低，只需2根线，支持多设备级联	高，每个从设备多一根CS线，引脚占用多
抗干扰性	一般，开漏输出，需上拉电阻	较好，推挽输出，驱动能力强
多主支持	支持多主机，有总线仲裁	标准SPI不支持多主机

2. 使用场景差异

优先选I2C的场景

低速传感器类外设：温湿度、加速度计、陀螺仪、光感等，数据量小，对速率要求不高
板级配置类芯片：RTC时钟、EEPROM、IO扩展芯片、PMIC电源管理芯片
引脚资源紧张：MCU/SoC引脚不足，希望用最少的线挂多个设备
多设备级联：同一条总线上挂十几个低速设备，不需要额外引脚
需要多主机：系统中有多个主控需要访问同一个外设

优先选SPI的场景

高速大数据量传输：SPI Flash、LCD/OLED显示屏、摄像头、以太网网卡，需要频繁传输大量数据
高性能外设：高速ADC/DAC、FPGA通信，对速率和延迟要求高
全双工通信：需要同时收发数据的场景，比如某些工业通信芯片
协议简单灵活：外设没有标准I2C接口，自定义SPI协议更灵活
对时序要求严格：SPI时钟稳定，延迟更低，时序更可控

五、SPI设备树的核心特点

I2C vs SPI 设备树reg对比

总线	reg属性含义	示例
I2C	7位从设备物理地址	`reg = <0x50>;` // 地址0x50
SPI	片选通道号（第几个CS）	`reg = <0>;` // 使用第0个片选

RK3399 SPI从设备节点示例

dts 复制代码

&spi1 {
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&spi1_clk &spi1_mosi &spi1_miso &spi1_cs0>;

    flash@0 {
        compatible = "winbond,w25q128";
        reg = <0>;               // 使用SPI1的第0个片选
        spi-max-frequency = <50000000>; // 最大时钟50MHz
        spi-cpol;                // CPOL=1
        spi-cpha;                // CPHA=1 → 模式3
        status = "okay";
    };
};