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Linux的SPI子系统的原理和结构详解【SPI控制器(spi_master)、SPI总线(device-driver-match匹配机制)、SPI设备、SPI万能驱动`spidev.c`】

news 来源：原创 2025/4/29 23:47:57

前言说明

如果前面对Plartform总线和I2C总线有详细认真的学习的话，那么理解SPI总线那就很容易了，所以可以先去回顾一下Plartform总线和I2C总线。

关于Platform总线的原理和结构，详情见下面三篇博文：
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/145023181
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/145018442
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/145030037

关于I2C总线的原理和结构，详情见下面这篇博文：
https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146405656

视频和讲义资料可以看一看

关于Linux的SPI总线的原理和结构，视频里已经讲得比较清楚了，百度网盘搜索“1-3_03_SPI总线设备驱动模型”，然后从头开始看。当然视频刚开始花了5分钟左右来回顾Plartform总线，如果赶时间的话，可以跳过，直接从第5分钟10秒开始看对SPI总线的介绍。
可以配套下面这个MD文档来观看视频：
https://pan.baidu.com/s/15Zu_9f2YnNjJix3Wd48uJw?pwd=j9f5

看完视频和讲义资料后，大致的关键点提取如下文所述。

SPI子系统的完整结构

下面幅图可以单独开个窗口查看。
在这里插入图片描述
从上面这幅图我们可以看出，SPI的硬件上分为两部分，一部是SPI控制器，另一部分是SPI设备。
SPI控制器的驱动通过Plartform总线实现、SPI设备的驱动通过SPI总线实现。
一个SPI控制器对应于一个spi_master的结构体的实例、一个SPI设备对应于一个spi_device的结构体。
在这里插入图片描述
设备文件的节点举例如下：

上面的截图是关于SPI子系统的设备文件的节点举例，在截图的代码中，spi3是一个SPI控制器(spi_master)、它下面有一个名叫gpio_spi@0的SPI设备。
值得说明的一点是：SPI设备节点的解析工作是由SPI控制器(spi_master)驱动的probe函数来完成的。

关于SPI控制器的驱动

SPI控制器的驱动程序走得是Plartform总线，提供SPI的底层传输能力，Linux内核中通过spi_master结构体来描述一个SPI控制器。
来源：include\linux\spi\spi.h
在这里插入图片描述
截图中用红框圈中的transfer成员函数是最关键的函数，在它里面实现了SPI控制器对数据的收发操作。

SPI总线介绍

SPI总线的结构图

下面这幅图就不用多说什么了，如果了解了Plartform总线和I2C总线，那下面这幅图就很好理解了。
在这里插入图片描述

`spi_device`结构体

spi_device结构体的截图如下：
来源：include\linux\spi\spi.h
在这里插入图片描述
spi_device结构体可以来自设备树、也可以来自C文件，对应于博文 https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146417363 对“i2c_client的实现和生成”的方式二和方式三。

`spi_driver`结构体

来源：include\linux\spi\spi.h
在这里插入图片描述

SPI总线的match函数分析(匹配机制分析)

SPI总线的match函数会赋值给结构体实例spi_bus_type，如下图所示：
\Linux-4.9.88\drivers\spi\spi.c
在这里插入图片描述
然后我们进入函数spi_match_device来进行分析：

spi_match_device() 按照以下顺序尝试匹配 SPI 设备和驱动：

第1优先级的匹配——设备树（Device Tree, DT）匹配

if (of_driver_match_device(dev, drv))
    return 1;

适用于 ARM 及其他基于设备树的平台（如 IMX6ULL）。
如果设备树 (.dts) 中的 compatible 字符串 与驱动的 of_match_table 匹配，则匹配成功。

示例
驱动代码：

static const struct of_device_id my_spi_dt_ids[] = {
    { .compatible = "myvendor,myspi" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_spi_dt_ids);

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_spi_device",
        .of_match_table = my_spi_dt_ids,  // 设备树匹配表
    },
    .probe = my_spi_probe,
    .remove = my_spi_remove,
};

注意：在定义了my_spi_dt_ids后，要用代码MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_spi_dt_ids);将my_spi_dt_ids 导出到内核的设备表，这样才能真正的进行设备树匹配，否则my_spi_dt_ids 就只是my_spi_dt_ids ，起不到进行设备树匹配的作用。

设备树 .dts：

&ecspi1 {
    my_spi_device@0 {
        compatible = "myvendor,myspi";  // 匹配 of_match_table
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <10000000>;
    };
};

如果 compatible 匹配 of_match_table，匹配成功，返回 1。

第2优先级的匹配——ACPI 设备匹配

if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
    return 1;

适用于 x86 及支持 ACPI 的 ARM64 设备。
ACPI 匹配表 acpi_match_table 用于 匹配 ACPI DSDT 表中的 _HID（Hardware ID）。

示例
驱动代码：

static const struct acpi_device_id my_spi_acpi_ids[] = {
    { "MYSP1000", 0 },  // ACPI 设备 ID
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(acpi, my_spi_acpi_ids);

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_spi_device",
        .acpi_match_table = ACPI_PTR(my_spi_acpi_ids),
    },
    .probe = my_spi_probe,
    .remove = my_spi_remove,
};

注意：在定义了my_spi_acpi_ids后，要用代码MODULE_DEVICE_TABLE(acpi, my_spi_acpi_ids);将my_spi_acpi_ids 导出到内核的设备表，这样才能真正的进行ACPI 匹配，否则my_spi_acpi_ids 就只是my_spi_acpi_ids ，起不到进行ACPI 匹配的作用。

ACPI DSDT 表：

Device (SPI1)
{
    Name (_HID, "MYSP1000")  // 硬件 ID
}

如果 _HID 匹配 acpi_match_table，匹配成功，返回 1。

第3优先级的匹配—— `id_table` 设备 ID 匹配

if (sdrv->id_table)
    return !!spi_match_id(sdrv->id_table, spi);

适用于 传统的 SPI 设备驱动，主要用于 没有设备树或 ACPI 的情况。
id_table 包含 驱动支持的 SPI 设备列表，通常用于 手动注册的 SPI 设备。

其中spi_match_id函数的代码如下：
\Linux-4.9.88\drivers\spi\spi.c

static const struct spi_device_id *spi_match_id(const struct spi_device_id *id,
						const struct spi_device *sdev)
{
	while (id->name[0]) {
		if (!strcmp(sdev->modalias, id->name))
			return id;
		id++;
	}
	return NULL;
}

可见是把设备描述中的 modalias 与 id_table 的 name进行比较。
spi_device结构体的定义前面已经给出过了，里面就有一项是 modalias 。
在这里插入图片描述

示例
驱动代码：

static const struct spi_device_id my_spi_id_table[] = {
    { "my_spi_device", 0 },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, my_spi_id_table);

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_spi_device",
    },
    .id_table = my_spi_id_table,
    .probe = my_spi_probe,
    .remove = my_spi_remove,
};

手动注册设备：

struct spi_board_info spi_device_info = {
    .modalias = "my_spi_device",  // 匹配 id_table
    .max_speed_hz = 1000000,
    .bus_num = 1,
    .chip_select = 0,
    .mode = SPI_MODE_0,
};

如果 modalias 匹配 id_table 的 name，匹配成功，返回 1。

第4优先级的匹配—— `modalias` 设备名称匹配

return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;

适用于 SPI 设备 ID 表为空的情况，作为最后的匹配方式。
设备的 modalias 必须与驱动的 name 完全一致 才能匹配。

spi_device结构体的定义前面已经给出过了，里面就有一项是 modalias 。
在这里插入图片描述

示例

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "my_spi_device",
    },
    .probe = my_spi_probe,
    .remove = my_spi_remove,
};

设备：

spi_device->modalias = "my_spi_device";

如果 modalias 与 driver.name 完全一致，匹配成功，返回 1。

SPI总线匹配机制总结

匹配方式	优先级	适用场景	匹配机制
设备树（DT）	最高	ARM 设备	`compatible` 字符串匹配 `of_match_table`
ACPI	高	x86 / 部分 ARM64	`_HID` 字符串匹配 `acpi_match_table`
id_table	中	手动注册设备	`id_table[].name` 匹配 `spi->modalias`
modalias	最低	默认匹配	`driver.name` 必须等于 `spi->modalias`

万能SPI驱动`spidev.c`的来由

在I2C子系统中，我们有了I2C的控制器驱动后，就可以直接在应用层通过I2C控制器的驱动操作各I2C设备了，而不需要先接入I2C总线的驱动，再去使用I2C的驱动。

但SPI设备不一样，SPI设备比I2C设备要复杂，比如每个SPI设备有自己的片选控制引脚、有自己的最大时钟值、有自己的传输方式(任意时刻是只读或只写还是既读又写)，所以SPI设备直接使用SPI控制器的驱动是很困难的。要想使用一个SPI设备，通常都不是直接去使用SPI控制器的驱动来操作SPI设备，而是通过SPI总线来为具体的SPI设备提供驱动。

Linux内核心中有一个特殊的SPI总线驱动，它的字名叫spidev.c，它被称为SPI的万能驱动，它其实是把SPI控制器的底层传输方法进行了轻度封装，给应用层提供常用的利用SPI控制器进行数据读写的方法。由于它的封装是轻度封装，是不针对某个SPI设备的封装，所以它被称为是万能驱动。

SPI总线的设备树文件的节点举例及解析函数

在这里插入图片描述
截图就是关于SPI子系统的设备树文件的节点举例，在截图的代码中，spi3是一个SPI控制器(spi_master)、它下面有一个名叫gpio_spi@0的SPI设备。
值得说明的一点是：SPI设备节点的解析工作是由SPI控制器(spi_master)驱动的probe函数来完成的。