SPI外设驱动开发与Linux内核spi子系统 - 第1节

1.1 SPI总线简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由Motorola公司提出的高速、全双工、同步的串行通信总线。它广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器与各种外设，如传感器、ADC/DAC、LCD显示器、存储器（Flash/SD卡）等。

SPI总线的主要特点包括：

• 全双工通信：数据发送和接收可同时进行。
• 主从架构：一个主设备（Master）控制多个从设备（Slave）。
• 同步传输：由主设备提供时钟信号（SCLK）驱动数据传输。
• 高速率：典型速率可达数十MHz，远高于I²C和UART。
• 无地址帧：通过片选信号（CS）直接选择从设备，协议开销小。

1.2 四线制信号定义

标准SPI总线使用四根信号线进行通信，各信号定义如下表所示：

下图展示了SPI主设备与单个从设备之间的四线制连接关系：

1.3 全双工通信原理

SPI的全双工通信意味着在同一个时钟周期内，主设备通过MOSI线发送一位数据到从设备，同时从设备通过MISO线发送一位数据到主设备。这种并行传输机制使得SPI的通信效率远高于半双工协议（如I²C）。

全双工通信的实现依赖于以下硬件特性：

• 独立的发送和接收数据线：MOSI和MISO物理上分离，互不干扰。
• 移位寄存器：主设备和从设备内部各有一个移位寄存器，在时钟边沿触发下同步移位。
• 同步时钟：SCLK由主设备控制，确保双方数据采样的时序一致。

下图展示了SPI全双工通信的数据传输过程：

1.4 时钟极性与相位（CPOL/CPHA）配置

SPI协议定义了四种不同的工作模式，通过配置时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来确定数据采样和输出的时序关系。这两个参数直接影响主设备和从设备之间的通信兼容性。

1.4.1 参数定义

1.4.2 四种SPI模式

下图展示了四种SPI模式的时序波形对比：

1.4.3 模式选择注意事项

• 数据手册优先：始终以外设数据手册中指定的CPOL和CPHA值为准。
• 模式0最常用：大多数SPI外设默认支持模式0（CPOL=0, CPHA=0），兼容性最好。
• Linux内核配置：在设备树中通过 spi-cpol 和 spi-cpha 属性设置，或在驱动代码中通过 spi->mode 设置。
• 时序验证：使用逻辑分析仪或示波器抓取SCLK和MOSI/MISO波形，确认采样边沿与数据输出边沿符合预期。