【Linux驱动开发】Linux SPI 通信详解：从硬件到驱动再到应用
Linux SPI 通信详解：从硬件到驱动再到应用
SPI（Serial Peripheral Interface）是 Motorola 于 1980 年代提出的同步全双工串行总线，采用主从式架构，信号线简单、吞吐高、协议灵活，被广泛用于 Flash、LCD 控制器、ADC/DAC、射频芯片、SD 卡等场景。Linux 将其抽象为 SPI Core 子系统，提供统一的总线/设备/驱动模型，并支持用户态字符设备、QSPI/OSPI、SPI-NOR/NAND Flash 子系统。本文从硬件原理、协议时序、底层驱动框架、内核与用户态接口、实际应用到调试方法，系统梳理 Linux SPI 通信全景。
1. 硬件原理
1.1 信号线
| 信号 | 方向（主视角） | 描述 |
|---|---|---|
| SCLK | 输出 | 时钟，空闲电平可配置（CPOL） |
| MOSI | 输出 | Master Out Slave In，主→从数据 |
| MISO | 输入 | Master In Slave Out，从→主数据 |
| SS/CS# | 输出（可选） | 片选，低有效，可多脚或解码器扩展 |
- 全双工：收发共用同一时钟，数据移位寄存器双向独立；
- 单主多从：主机提供时钟，从机无时钟输出能力（除非配置为 slave mode）。
1.2 电平与速度
- TTL 同主控 IO 电压（1.8 V/3.3 V/5 V）；高速板需做 50 Ω 阻抗匹配；
- 时钟频率：几 kHz – 100 MHz+，受 PCB 线长、驱动能力、从芯片限制；
- 四线制为标准，另有：
- 三线制（MOSI/MISO 合并为 SIO），半双工；
- Dual/Quad/Octal SPI：并行数据线 2/4/8 根，提升带宽，常用于 Flash。
1.3 SPI 控制器框图
- 时钟生成：分频 PLL/APB 时钟，可配置极性/相位；
- 移位寄存器：Tx/Rx 双缓冲，位宽 8/16/32 可选；
- 片选解码：硬件 CS 线 1–8 根，或外接 74HC138；支持 CSAAT（连续传输不抬片选）；
- DMA 接口：Tx/Rx FIFO 与内存散聚 DMA，减少 CPU 介入；
- 中断事件：Tx FIFO 空、Rx FIFO 满、传输完成、溢出；
- 可编程延时：CS→CLK 建立、CLK→CS 保持，满足从芯片时序要求。
2. 协议时序与模式
SPI 无起始/停止位，靠片选帧定界，同步时钟移位。
2.1 时钟极性/相位 (CPOL/CPHA)
| 模式 | CPOL | CPHA | 采样沿 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 上升沿 | 时钟低空闲，第一沿采样 |
| 1 | 0 | 1 | 下降沿 | 时钟低空闲，第二沿采样 |
| 2 | 1 | 0 | 下降沿 | 时钟高空闲，第一沿采样 |
| 3 | 1 | 1 | 上升沿 | 时钟高空闲，第二沿采样 |
- 主从必须配置相同模式；
- 采样沿由 CPHA 决定：CPHA=0 → 奇数沿，CPHA=1 → 偶数沿。
2.2 传输单位
- 可 8/16/32 位字长；高位先出 (MSB) 为常态，部分控制器支持 LSB；
- 片选拉低→时钟启动→连续字→片选拉高，构成一次传输 (transfer)；
- 支持“连续传输”：CS 保持低，Tx FIFO 不断填充，实现大长度 DMA。
2.3 与 I2C/UART 差异
- 全双工、无速度上限、无寻址、无 ACK；
- 线多（至少 4 线），无硬件仲裁，不适合多主；
- 协议简单，但不同芯片时序差异大（CS 建立/保持、空闲电平、字长）。
3. Linux SPI 驱动框架
Linux 采用“控制器驱动 + 协议驱动 + 片选 GPIO”分层，核心文件：drivers/spi/spi.c
3.1 关键数据结构
| 结构体 | 描述 |
|---|---|
struct spi_controller | 代表 SPI 主/从控制器（原 spi_master），含总线号、片选数量、队列/线程化传输模型； |
struct spi_device | 描述一个从设备：总线号、片选、模式 (CPOL/CPHA)、字长、最大速度； |
struct spi_driver | 协议驱动，匹配 spi_device，提供 probe/remove/suspend/resume； |
struct spi_transfer | 一次传输片段：Tx/Rx 缓冲区、长度、速度、字长、延时等； |
struct spi_message | 由多个 spi_transfer 组成，片选连续保持，可一次性 DMA； |
3.2 传输模型
- 早期 PIO：
spi_sync()在中断上下文忙等待，适合短数据； - 线程化 + 队列：
spi_queued_transfer（默认），内核线程kworker/spi处理消息，降低延迟； - DMA 散聚：驱动实现
can_dma()+dma_tx/rx映射，实现零拷贝； - 同步/异步：
spi_sync()阻塞；spi_async()注册回调，用于 SPI LCD 刷新等实时场景。
3.3 控制器驱动示例（简化）
#include <linux/spi/spi.h>
static int spi_xxx_setup(struct spi_device *spi)
{/* 根据 spi->mode 配置寄存器 CPOL/CPHA *//* 根据 spi->max_speed_hz 配置分频 */return 0;
}
static int spi_xxx_transfer_one(struct spi_controller *ctlr,struct spi_device *spi,struct spi_transfer *t)
{/* 1. 配置字长 t->bits_per_word *//* 2. 写 Tx FIFO (t->tx_buf) *//* 3. 等待中断/Rx DMA 完成 *//* 4. 读 Rx FIFO 到 t->rx_buf */return 0;
}
static struct spi_controller *ctlr;
static int spi_xxx_probe(struct platform_device *pdev)
{ctlr = spi_alloc_controller(&pdev->dev, sizeof(*drv_data));ctlr->mode_bits = SPI_CPOL | SPI_CPHA | SPI_CS_HIGH;ctlr->bits_per_word_mask = SPI_BPW_MASK(8) | SPI_BPW_MASK(16);ctlr->min_speed_hz = 100000;ctlr->max_speed_hz = 50000000;ctlr->setup = spi_xxx_setup;ctlr->transfer_one = spi_xxx_transfer_one;ctlr->num_chipselect = 4;return devm_spi_register_controller(&pdev->dev, ctlr);
}
3.4 协议驱动示例（RF 芯片）
static int rf_probe(struct spi_device *spi)
{struct spi_transfer t[2] = {{ .tx_buf = &cmd, .len = 1, .speed_hz = 10000000 },{ .rx_buf = buf, .len = 4, .speed_hz = 10000000 },};struct spi_message m;spi_message_init(&m);spi_message_add_tail(&t[0], &m);spi_message_add_tail(&t[1], &m);spi_sync(spi, &m); /* 读 4 字节寄存器 */
}
static struct spi_driver rf_driver = {.driver = { .name = "rf_xxx", },.probe = rf_probe,
};
module_spi_driver(rf_driver);
4. 用户态接口
4.1 spidev 字符设备 /dev/spidevB.C
- 内核配置
CONFIG_SPI_SPIDEV； - B = 总线号，C = 片选号；
ioctl列表：
SPI_IOC_WR_MODE // 设置 SPI_MODE_0/1/2/3
SPI_IOC_RD_MODE
SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ
SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD
SPI_IOC_MESSAGE(N) // 一次传输多段，支持全双工
- 用户态示例（Python
spidev模块）：
import spidev
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0) # /dev/spidev0.0
spi.max_speed_hz = 10_000_000
spi.mode = 0b00 # CPOL=0 CPHA=0
resp = spi.xfer2([0x9F, 0x00, 0x00, 0x00]) # 读 Flash JEDEC ID
4.2 sysfs 节点（已逐步淡化）
/sys/bus/spi/devices/spi0.0/提供modalias/uevent；调试时可用cat driver/name。
4.3 调试与跟踪
dynamic_debug：
echo 'file spi.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control
- 逻辑分析仪：抓 SCLK/MOSI/MISO/CS，看模式、字长、空闲电平；
spidev_test官方工具：
./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -s 10000000 -p "\x9f\x00\x00\x00" -v
5. 实际应用与场景
| 外设 | 模式/速度 | 注意要点 |
|---|---|---|
| W25Q64 Flash | SPI_MODE_0, 80 MHz | 支持 Quad SPI，先 0xEB 读，DMA 大页 |
| TFT LCD (ST7789) | SPI_MODE_3, 40 MHz | 9-bit 命令/数据（DCX）用 GPIO 或硬件 D/C 线 |
| NRF24L01 射频 | SPI_MODE_0, 8 MHz | 连续 CS，内部 FIFO 状态寄存器轮询 |
| ADC (MCP3208) | SPI_MODE_0, 1 MHz | 16 位采样，先 0x06 + 通道号，再读 12 位结果 |
| 以太网 ENC28J60 | SPI_MODE_0, 20 MHz | 7 位地址 + 5 位数据，硬件 DMA 支持 |
| 音频 codec | SPI_MODE_1, 24 MHz | 24 位字长，MSB 先出，需连续时钟 |
5.1 多从片选方式
- 独立 CS 线：控制器硬件 CS，切换简单；
- GPIO 片选：
spi_device.cs_gpio = gpio#，驱动自动拉低/拉高； - 解码器：3-8 译码器 74HC138，节省引脚，需
cs_setup_hz延时。
5.2 大吞吐量优化
- 双缓冲 DMA：Tx/Rx 各用环形 buffer，LCD 刷新不丢帧；
- 中断线程化：PREEMPT_RT 下，
spi->irq线程化，抖动 < 100 µs； - 连续传输：一次
spi_message包含 240×320×2 字节，CS 保持低，DMA 链完成； - CPU 亲和：SPI DMA 中断绑到独立核，避免任务迁移。
6. 故障排查与性能优化
| 现象 | 可能原因 | 排查/解决 |
|---|---|---|
| 模式不匹配 | CPOL/CPHA 错 | 逻辑分析仪看采样沿，主从统一模式 |
| 数据偏移 | 字长/位序错 | 示波器测 8/16/32 位，MSB/LSB 先出 |
| 片选抖动 | CS 建立不足 | 加 cs_setup/delay 或降速，用 GPIO CS |
| 丢字节 | DMA 未完成 | 查看 spi->dma_tx/rx 返回，开 dynamic_debug |
| 高误码 | 线长/阻抗失配 | 降速 < 10 MHz，加 22 Ω 串阻，用双绞屏蔽线 |
| 实时抖动 | 中断抢占 | 绑核 + irqthread + spi_async 回调 |
7. 小结
SPI 以“4 线 + 全双工 + 无寻址”提供极简高速串行链路，协议灵活但时序多样。Linux 通过“spi_controller/spi_device/spi_driver”模型把控制器与协议分离，统一使用 spi_message/spi_transfer 进行 DMA 友好传输；用户态则通过 spidev 字符设备快速验证外设。掌握 CPOL/CPHA、字长、CS 建立/保持、DMA 散聚与实时绑核技巧，可在嵌入式显示、高速数据采集、射频通信等场景中发挥 SPI 的最大带宽与确定性。
附录：参考文档
- Linux Kernel:
Documentation/spi/,drivers/spi/spi.c,spidev.c - Motorola SPI Block Guide
- 芯片手册：W25Q64JV、ST7789、NRF24L01、MCP3208、ENC28J60
- 书籍：《Linux 设备驱动开发详解》《嵌入式 Linux 开发教程》
本文档示例基于 Linux 4.4.94，不同版本内核接口基本一致，高速/DMA/实时细节请以实际 SoC 手册与驱动为准。