Linux内核SPI控制器驱动：FIFO与DMA传输优化 - 第1节

1.1 SPI 总线物理层与信号定义

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种全双工、同步、主从式的串行通信总线，由 Motorola 公司于 20 世纪 80 年代提出。在物理层上，标准 SPI 总线采用 四线制 结构，分别承担时钟、数据输出、数据输入和片选功能。

信号线	全称	方向（主设备视角）	功能描述
SCK	Serial Clock	输出	由主设备产生，同步数据传输的时钟信号
MOSI	Master Out Slave In	输出	主设备发送数据至从设备的数据线
MISO	Master In Slave Out	输入	从设备发送数据至主设备的数据线
CS	Chip Select	输出	片选信号，低电平有效，用于选中目标从设备

1.2 四线制时序与数据采样

SPI 的时序核心在于 SCK 时钟边沿 与 数据变化/采样 的配合。下图展示了标准 SPI 单次传输的时序关系：

上图展示了 CPOL=0, CPHA=0 模式下的时序：

• CS 拉低后，SCK 开始产生连续时钟脉冲。
• 主设备在 SCK 的 上升沿 采样 MISO 上的数据（从设备输出）。
• 主设备在 SCK 的 下降沿 更新 MOSI 上的数据（从设备输入）。
• 一次传输通常为 8 位或 16 位，传输完成后 CS 拉高。

1.3 SPI 四种工作模式（CPOL / CPHA）

SPI 协议通过 时钟极性（CPOL） 和 时钟相位（CPHA） 两个参数组合出四种工作模式。CPOL 决定 SCK 空闲时的电平，CPHA 决定数据采样发生在 SCK 的哪个边沿。

模式	CPOL	CPHA	空闲 SCK 电平	数据采样边沿	数据变化边沿	典型从设备
模式 0	0	0	低电平	上升沿	下降沿	W25Qxx Flash, ADXL345
模式 1	0	1	低电平	下降沿	上升沿	MAX31855, MCP3008
模式 2	1	0	高电平	下降沿	上升沿	LTC6804, 部分 DAC
模式 3	1	1	高电平	上升沿	下降沿	SD 卡（SPI 模式）, CC1101

下面通过一张 SVG 结构图对比四种模式的 SCK 波形与采样点：

1.4 多从设备拓扑与片选管理

SPI 总线支持 一主多从 拓扑结构。主设备通过独立的 CS 线分别控制每个从设备，而 SCK、MOSI、MISO 则为所有从设备共享。

1.5 SPI 传输的基本流程

一次完整的 SPI 传输在软件层面通常包含以下步骤：

1. 配置模式与速率： 根据从设备数据手册设置 CPOL、CPHA 以及 SCK 频率。
2. 构建消息： 将待发送数据填充到发送缓冲区，准备接收缓冲区。
3. 发起传输： 主控制器驱动将消息提交到 SPI 控制器硬件。
4. 硬件移位： 每个 SCK 周期，MOSI 移出一位，MISO 移入一位，8/16 位后完成一个字节/半字传输。
5. 传输完成中断或 DMA 完成回调： 通知上层数据已就绪。
6. 处理接收数据： 从接收缓冲区读取从设备返回的数据。

下面通过一个简单的代码片段展示 SPI 传输在用户空间的典型调用方式（通过 spidev 驱动）：

#include <linux/spi/spidev.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int spi_transfer(int fd, uint8_t *tx, uint8_t *rx, int len) {
    struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx,
        .rx_buf = (unsigned long)rx,
        .len = len,
        .speed_hz = 1000000,   // 1 MHz
        .delay_usecs = 0,
        .bits_per_word = 8,
        .cs_change = 0,
    };
    return ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);
}

int main() {
    int fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
    if (fd < 0) return -1;

    uint8_t mode = SPI_MODE_0;
    ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

    uint8_t tx_buf[4] = {0x90, 0x00, 0x00, 0x00}; // 读 ID 命令
    uint8_t rx_buf[4] = {0};
    spi_transfer(fd, tx_buf, rx_buf, 4);

    // rx_buf[1..3] 包含设备 ID
    close(fd);
    return 0;
}

1.6 本章小结

本章从物理层信号定义出发，详细讲解了 SPI 四线制的时序关系、