3、SPI子系统详解：从协议到实战

SPI总线，说白了就是嵌入式世界里最常用的「短距离高速通道」。我做了这么多年驱动，接触过的传感器里，十有七八都走SPI。瑞芯微RK平台的SPI控制器设计得挺规整，但坑也不少。这一章咱们就把SPI子系统从头捋一遍，从协议到代码，再到调试手段，一次说透。

3.1 SPI总线协议回顾

SPI全称Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。四根线：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。全双工，一主多从，靠片选区分设备。

为什么SPI在传感器领域这么流行？

• 速度快：轻松跑到几十MHz，比I2C快一个数量级
• 全双工：收发同时进行，适合数据流场景
• 硬件简单：没有地址仲裁，没有应答机制
• 灵活：4种模式（CPOL/CPHA组合），兼容各种奇葩芯片

这里有个关键点——SPI模式。我见过太多人栽在这个上面。模式由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

3.2 RK平台SPI控制器驱动

瑞芯微的SPI控制器，在RK3568/RK3588这些芯片上，设计思路基本一致。核心是DesignWare SPI IP，Synopsys家的。驱动代码在drivers/spi/spi-dw-*.c里。

控制器驱动的职责很清晰：

• 初始化硬件寄存器（时钟、模式、位宽、片选）
• 管理DMA或PIO传输
• 提供spi_controller结构体给上层
• 处理中断和错误

我个人习惯，拿到一块新板子，先看设备树里SPI节点的配置：

// RK3588设备树SPI节点示例
&spi2 {
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&spi2m2_cs0 &spi2m2_pins>;
    max-freq = <50000000>;  // 50MHz，别超
    num-cs = <1>;

    sensor@0 {
        compatible = "vendor,xxx-sensor";
        reg = <0>;           // 片选0
        spi-max-frequency = <10000000>;  // 10MHz
        spi-cpha;            // 如果模式1，加上这个
        // spi-cpol;         // 模式2或3需要
    };
};

这里有个细节：max-freq是控制器支持的最高频率，spi-max-frequency是具体设备的工作频率。我建议先降频调试，比如从1MHz开始，通了再往上提。为什么？高频下信号完整性容易出问题，尤其是飞线连接传感器的时候。

3.3 SPI设备驱动编写模板

写一个SPI传感器驱动，核心就是填充struct spi_driver。我直接给模板，你们照着改就行：

#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/module.h>

static int sensor_probe(struct spi_device *spi)
{
    int ret;
    u8 tx_buf[2], rx_buf[2];

    // 1. 设置SPI参数
    spi->mode = SPI_MODE_0;          // 根据芯片手册
    spi->bits_per_word = 8;          // 大部分传感器8位
    spi->max_speed_hz = 10000000;    // 10MHz
    ret = spi_setup(spi);
    if (ret) {
        dev_err(&spi->dev, "spi_setup failed\n");
        return ret;
    }

    // 2. 读取设备ID验证通信
    tx_buf[0] = 0x0F;  // 读ID寄存器命令
    tx_buf[1] = 0x00;  // dummy byte
    ret = spi_write_then_read(spi, tx_buf, 1, rx_buf, 1);
    if (ret || rx_buf[0] != 0x5A) {
        dev_err(&spi->dev, "ID mismatch: got 0x%02x\n", rx_buf[0]);
        return -ENODEV;
    }

    dev_info(&spi->dev, "sensor detected, ID=0x%02x\n", rx_buf[0]);
    return 0;
}

static void sensor_remove(struct spi_device *spi)
{
    // 清理资源
}

static const struct of_device_id sensor_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,xxx-sensor" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, sensor_of_match);

static struct spi_driver sensor_driver = {
    .driver = {
        .name = "xxx_sensor",
        .of_match_table = sensor_of_match,
    },
    .probe = sensor_probe,
    .remove = sensor_remove,
};
module_spi_driver(sensor_driver);

SPI数据传输有几种方式，我列个对比：

3.4 SPI通信调试技巧

这部分是我最想分享的。调试SPI，说白了就是三板斧：

1. 看波形：逻辑分析仪或示波器，抓SCLK、MOSI、MISO、CS
2. 看返回值：驱动里加printk，打印每次传输的收发数据
3. 降速测试：把频率降到1MHz以下，排除信号完整性问题

我遇到过最典型的故障场景：

• CS拉不下来：检查GPIO复用，确认pinctrl配置正确
• MISO一直高电平：传感器没上电，或者片选没选中
• 数据全是0xFF：MOSI没通，或者模式配反了
• 数据偶尔错位：时钟太快，或者走线太长

// 设备树中
&spi2 {
    status = "okay";
    spidev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <10000000>;
    };
};

还有一个技巧——环回测试。把MOSI和MISO短接，发数据看能不能收回来。如果能，说明控制器和驱动没问题；如果不能，查硬件连接。

最后，我画了一张SPI子系统整体架构图，方便大家理解各层关系：