3、SPI 工作模式：模式 0/1/2/3 详解、全双工通信机制、主从设备配置

SPI（Serial Peripheral Interface）总线在网关嵌入式系统中承担着高速、全双工的片间通信任务。理解其四种工作模式（CPOL/CPHA 组合）、全双工数据流以及主从拓扑结构，是编写正确 SPI 设备驱动的核心前提。本节将从时序参数、模式对比、数据交换机制和配置要点四个维度展开。

3.1 SPI 模式 0/1/2/3 的时序本质

SPI 模式由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数唯一确定。CPOL 决定空闲时 SCK 的电平，CPHA 决定数据采样发生在 SCK 的第一个还是第二个边沿。

3.2 全双工通信机制

SPI 的全双工特性源于其独立的发送和接收数据路径：主设备通过 MOSI 线发送数据，同时通过 MISO 线接收从设备数据。一个时钟周期内，主从双方各移出一位数据并移入对方的一位数据，形成“交换式”传输。

3.3 主从设备配置与片选管理

SPI 总线采用一主多从的拓扑结构。主设备通过独立的片选信号（CS/SS）选择目标从设备，每次只与一个从设备通信。在 Linux 内核中，主从配置通过 struct spi_device 和 struct spi_board_info 完成。

3.3.1 硬件连接要点

• SCK：主设备输出，所有从设备共享。
• MOSI：主设备输出，所有从设备数据输入引脚共享。
• MISO：从设备输出，所有从设备数据输出引脚共享（从设备未选中时需输出高阻态）。
• CS：每个从设备独立占用一个主设备 GPIO 或专用片选线，低电平有效。

3.3.2 内核配置示例

/* 板级文件或设备树中的 SPI 从设备声明 */
static struct spi_board_info my_spi_devices[] = {
    {
        .modalias = "mcp2515",        /* 驱动名称 */
        .max_speed_hz = 10 * 1000 * 1000, /* 10 MHz */
        .bus_num = 1,                 /* SPI 控制器编号 */
        .chip_select = 0,             /* 片选索引 */
        .mode = SPI_MODE_0,           /* 工作模式 */
        .platform_data = &mcp2515_pdata,
    },
};

3.4 驱动开发中的模式与配置校验

在 Linux SPI 子系统驱动中，模式配置和全双工通信通过 spi_transfer 结构体实现。以下是一个典型的读写操作片段：

struct spi_transfer t = {
    .tx_buf = tx_buffer,      /* 发送数据缓冲区 */
    .rx_buf = rx_buffer,      /* 接收数据缓冲区（全双工） */
    .len = 4,                 /* 传输字节数 */
    .speed_hz = 5000000,      /* 5 MHz 传输速率 */
    .bits_per_word = 8,       /* 8 位数据宽度 */
    .cs_change = 0,           /* 传输完成后是否释放片选 */
};

struct spi_message m;
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(&t, &m);
spi_sync(spi_device, &m);     /* 同步阻塞传输 */

3.5 常见问题与调试方法