SPI 驱动:高速串行外设总线

🔨 整理中 · 这一篇讲 SPI 子系统——四线(SCLK/MOSI/MISO/CS)全双工串行总线,比 I2C 快(几十 MHz),Flash/显示屏/ADC/SD 卡底层都用它。素材以 6.19 源码 + kernel.org SPI 文档为权威。和 I2C 同构,区别在传输模型(SPI 是"片选 + 全双工")。

做什么

SPI(Serial Peripheral Interface)是嵌入式另一条主流总线:四线——SCLK(时钟)/MOSI(主出从入)/MISO(主入从出)/CS(片选)。它比 I2C 快得多(典型几十 MHz、可上百)、全双工(I2C 半双工)、但线多(每从设备一根 CS,或菊花链)。SPI Flash(W25Q 等)、OLED/TFT 显示屏、ADC/DAC、SD/MMC 底层、某些传感器都走 SPI。这一篇拆 SPI 外设 driver 怎么写——结构同 I2C(controller + device + driver),传输模型不同(spi_message + spi_transfer 队列)。

要了解什么

一、三件套:`spi_controller` / `spi_device` / `spi_driver`

spi_controller(老名 spi_master):SPI 控制器,管 SCLK/MOSI/MISO + 片选。SoC 厂商驱动注册。
spi_device:一个 SPI 外设实例——挂在某 controller 下、有片选号(chip_select)/速度(max_speed_hz)/模式(mode:CPOL/CPHA 时钟相位)。
spi_driver:外设驱动,同 i2c/platform:probe/remove/of_match_table + 内嵌 device_driver。

设备树 + of_match 配对机制和 I2C 完全一样。

二、设备树:reg(CS)/max-speed/mode

dts

&spi0 {
    flash@0 {                          /* 片选 0 */
        compatible = "winbond,w25q128";
        reg = <0x0>;                   /* ← 片选号(对应 controller 的第几根 CS) */
        spi-max-frequency = <50000000>; /* 最高 50MHz */
        spi-cpol; spi-cpha;            /* 模式 3(CPOL=1,CPHA=1);不写默认模式 0 */
        #address-cells = <1>;          /* (flash 子分区用) */
        #size-cells = <1>;
    };
};

reg 是片选号(不是地址,和 I2C 的 reg 含义不同);spi-max-frequency 限速;spi-cpol/spi-cpha/spi-cs-high/spi-3wire 等设模式。内核生成 spi_device 时填进 spi->chip_select/spi->max_speed_hz/spi->mode。

三、传输:`spi_message` + `spi_transfer`

SPI 传输比 I2C 复杂——它用"消息队列"模型:你把一个或多个 spi_transfer(每个描述"发这些字节 + 收这些字节 + 多少位")塞进一个 spi_message,整条消息原子提交(spi_sync 同步 / spi_async 异步)。

u8 tx[] = {READ_CMD, addr_hi, addr_lo};
u8 rx[4] = {0};
struct spi_transfer t = {
    .tx_buf = tx, .rx_buf = rx,
    .len = sizeof(tx) + sizeof(rx),   /* 全双工:同时发 tx 收 rx */
};
struct spi_message m;
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(&t, &m);
spi_sync(spi, &m);                     /* 同步:阻塞到完成 */
/* rx[] 现在含读回的数据 */

SPI 全双工特性:tx_buf 和 rx_buf 同时有效——发 tx 的每个字节、同时收一个字节进 rx。这是 SPI 和 I2C(半双工)的关键区别。helper:spi_write(spi, buf, len)(只发)、spi_read(spi, buf, len)(只收)、spi_w8r8(发 1 字节收 1 字节)等简化常见操作。

四、异步 + DMA

spi_sync 阻塞当前线程(进程上下文),简单但浪费 CPU。高吞吐场景用 spi_async(异步,完成时回调,可在软中断跑),配合 DMA(spi_transfer.tx_dma/rx_dma)让控制器 DMA 搬数据、CPU 不参与每个字节。SPI Flash/SD 卡这类大批量传输全靠异步+DMA。

动手试试

ls /sys/bus/spi/devices/ 看 spi-device;QEMU 可加 -device spidev 或 virtio-spi
读 drivers/mtd/devices/m25p80.c(SPI Flash)或 drivers/spi/spidev.c(用户态 SPI 接口)看 spi_driver/spi_sync 用法
在设备树加一个 SPI 节点,写 spi_driver 匹配、probe 里 spi_write 发命令 + spi_read 收数据
spidev_test(用户态工具,通过 spidev 驱动测 SPI 总线)
思考题:SPI 全双工(tx/rx 同时)和 I2C 半双工,传输模型上怎么体现?(提示:spi_transfer 同时有 tx_buf/rx_buf)

延伸阅读

源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/spi/spi.h(struct spi_driver/struct spi_device/struct spi_transfer/spi_message_init/spi_message_add_tail/spi_sync/spi_async/spi_write/spi_read);实现在 drivers/spi/(spi.c core、各 controller 驱动 spi-*.c);示例 drivers/spi/spidev.c(用户态 SPI 接口)、drivers/mtd/devices/m25p80.c(SPI Flash)。
kernel.org:SPI、Documentation/spi/(spidev/summary...)。
关联本站:23 I2C 同构(三件套 + of_match)、10 platform 配对机制;SPI Flash 深入关联 MTD。

做什么 ​

要了解什么 ​

一、三件套:spi_controller / spi_device / spi_driver ​

二、设备树:reg(CS)/max-speed/mode ​

三、传输:spi_message + spi_transfer ​

四、异步 + DMA ​

动手试试 ​

延伸阅读 ​