📚 课程目录第4章 SPI协议栈实现

4、SPI协议栈实现：SPI总线协议与四种模式、Linux SPI子系统架构、SPI设备驱动与DMA传输

SPI，全称是Serial Peripheral Interface。说白了，就是一根时钟线，两根数据线，再加一根片选线。简单，但坑不少。我最早接触SPI是在一个传感器项目上，当时觉得这协议太简单了，结果调试了整整两天——嗯，就是模式没配对。

4.1 SPI总线协议与四种模式

SPI是主从结构。主设备负责产生时钟，从设备被动响应。数据线有两根：MOSI（主出从入）和MISO（主入从出）。片选线CS，低电平有效，谁拉低谁说话。

SPI的四种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定。我见过不少工程师在这上面翻车，包括我自己。

模式	CPOL	CPHA	数据采样边沿	时钟空闲电平
模式0	0	0	上升沿采样	低电平
模式1	0	1	下降沿采样	低电平
模式2	1	0	上升沿采样	高电平
模式3	1	1	下降沿采样	高电平

模式0和模式3最常用。为什么？因为很多Flash和传感器默认就支持这两种。我个人习惯先用模式0，如果通信不正常，再切模式3试试。

我曾经踩过的坑： 主设备和从设备的模式必须一致。不一致时，数据全错，但波形看起来好像又有点对。别问我怎么知道的。

SPI的传输速率，理论上可以很高。但实际受限于PCB走线、从设备响应时间、以及驱动能力。我一般先看从设备数据手册里的最大时钟频率，然后留20%余量。

4.2 Linux SPI子系统架构

Linux的SPI子系统，分三层：

SPI核心层：提供总线注册、设备枚举、数据传输的通用框架。
SPI控制器驱动：操作具体的硬件寄存器，比如配置时钟、模式、片选。
SPI设备驱动：面向具体外设，比如Flash、ADC、传感器。

你想想看，这三层分工很明确。核心层帮你把脏活累活都干了，你只需要写设备驱动，或者控制器驱动。

下面这张图，是我画的一个SPI子系统架构图，方便你理解层级关系。

核心层提供的关键数据结构是 spi_device 和 spi_message。你写驱动时，主要就是填充这两个结构体。

    关键点： spi_message 里可以挂多个 spi_transfer，实现连续传输。这在操作Flash时特别有用——先发命令，再发地址，最后读数据，一次搞定。

4.3 SPI设备驱动与DMA传输

写一个SPI设备驱动，其实不复杂。核心步骤就这几步：

在设备树里描述SPI从设备：片选引脚、模式、最大频率。
注册一个spi_driver，实现probe和remove回调。
在probe里，用spi_setup配置模式、速率。
用spi_write_then_read或spi_sync_transfer收发数据。

我贴一段伪代码，你看一眼就明白了：

static int my_spi_probe(struct spi_device *spi)
{
    spi->mode = SPI_MODE_0;
    spi->max_speed_hz = 10000000;
    spi_setup(spi);

    // 注册字符设备或输入设备
    return 0;
}

static int my_spi_transfer(struct spi_device *spi, u8 *tx, u8 *rx, int len)
{
    struct spi_transfer t = {
        .tx_buf = tx,
        .rx_buf = rx,
        .len = len,
    };
    struct spi_message m;

    spi_message_init(&m);
    spi_message_add_tail(&t, &m);
    return spi_sync(spi, &m);
}

这段代码，说白了就是最基础的PIO模式。CPU一个一个字节地搬数据。如果数据量大，比如操作一个几兆字节的Flash，CPU就被占死了。

这时候，DMA就该上场了。

4.3.1 DMA传输的优势

DMA，直接存储器访问。数据从外设到内存，或者从内存到外设，不经过CPU。CPU只需要告诉DMA控制器：从哪搬，搬到哪，搬多少。然后就可以去干别的事了。

我做过一个项目，用SPI读取摄像头数据，每帧图像几百KB。用PIO模式，CPU占用率飙到80%。换成DMA后，直接降到5%。效果立竿见影。

传输方式	CPU占用率	吞吐量	适用场景
PIO模式	高（60-90%）	受限于CPU频率	小数据量、低频通信
DMA模式	低（5-20%）	接近硬件极限	大数据量、高速通信

4.3.2 Linux SPI DMA的实现

在Linux里，启用SPI DMA通常不需要你改驱动代码。控制器驱动如果支持DMA，核心层会自动帮你做。你只需要在设备树里配好DMA通道。

设备树里大概是这样：

&spi1 {
    status = "okay";
    dmas = <&dma 0 1>, <&dma 1 1>;
    dma-names = "tx", "rx";

    my_device@0 {
        compatible = "my,spi-device";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <20000000>;
    };
};

这里 dmas 指定了发送和接收的DMA通道。内核在传输时，如果检测到有DMA通道，会自动使用DMA，否则回退到PIO。

我的建议： 调试DMA时，先确认DMA控制器驱动是否正常。可以用 dmatest 模块测试。我曾经因为DMA中断没配好，数据一直传不出去，查了两天才发现是中断号写错了。

4.3.3 DMA传输的注意事项

DMA虽好，但有几个坑要注意：

Cache一致性：DMA直接操作内存，如果CPU有Cache，数据可能不一致。需要调用 dma_map_single 或 dma_sync_single_for_device。
缓冲区对齐：DMA通常要求缓冲区地址对齐到Cache Line大小（一般是32或64字节）。不对齐的话，性能会下降，甚至出错。
中断处理：DMA传输完成后，会触发中断。中断处理函数要尽量短，别在里面做复杂操作。

我曾经踩过的坑： 有一次用DMA传输，数据总是错几个字节。查了半天，发现是发送缓冲区和接收缓冲区在内存中重叠了。DMA传输时，两个缓冲区必须完全不重叠。

4.4 小结

SPI协议，模式选对，速率别超，基本就稳了。Linux SPI子系统，三层架构清晰，设备驱动写起来不复杂。DMA传输，能大幅降低CPU占用，但要注意Cache一致性和缓冲区对齐。

嗯，这一章就到这里。记住，调试SPI时，示波器是你最好的朋友。先看时钟，再看数据，最后看片选。波形对了，代码基本没问题。