📚 课程目录第2章 SPI总线拓扑

2. SPI 总线拓扑：单主多从连接方式、菊花链拓扑、片选信号管理、多从设备地址区分机制

2.1 单主多从连接方式（标准 SPI 拓扑）

标准 SPI 总线采用 单主多从 的星型拓扑结构。一个 SPI 主机（通常是 SoC 或 MCU）通过共享的 SCLK、MOSI、MISO 三根总线连接多个从设备，每个从设备独占一根 片选信号（CS/SS）。

  关键特征： 主机通过独立片选线决定与哪个从设备通信，未选中的从设备必须将 MISO 引脚置为高阻态，避免总线冲突。

2.2 菊花链拓扑（Daisy-Chain）

菊花链拓扑通过 数据转发 方式串联多个从设备，所有从设备共享同一根片选信号。数据从主机发出后，依次经过每个从设备，直到最后一个设备将数据返回主机。

对比项	标准 SPI（独立片选）	菊花链 SPI
片选线数量	N 根（每从设备 1 根）	1 根（所有从设备共享）
数据路径	主机 ↔ 从设备（点对点）	主机 → 从设备 0 → 从设备 1 → … → 主机
从设备数量扩展	受限于主机 GPIO 数量	几乎无限制（受时序约束）
传输延迟	低（直接通信）	高（逐级转发）
典型应用	通用 SPI 外设（ADC、DAC、传感器）	移位寄存器、LED 驱动、级联 ADC

驱动开发提示： 菊花链拓扑中，每个从设备需要支持 数据直通（Data Passthrough） 功能。在 Linux SPI 子系统中，菊花链通常通过自定义 spi_board_info 的 mode 字段或设备树中的 spi-daisy-chain 属性来配置。

2.3 片选信号管理

片选信号（Chip Select，CS）是 SPI 总线中 从设备寻址 的核心机制。主机通过拉低某个从设备的 CS 引脚来启动通信，通信结束后拉高 CS 释放总线。

2.3.1 片选信号时序要求

CS 建立时间（CS Setup Time）： CS 拉低后，必须等待至少一个时钟周期才能开始发送 SCLK，确保从设备内部逻辑稳定。
CS 保持时间（CS Hold Time）： 最后一个 SCLK 边沿后，CS 必须保持低电平至少一个时钟周期，保证数据被正确锁存。
CS 释放时间（CS Deselect Time）： 两次 SPI 传输之间，CS 必须保持高电平至少一个时钟周期，让从设备完成内部复位。

2.3.2 Linux 内核中的片选管理

在 Linux SPI 子系统中，片选信号的管理由 SPI 控制器驱动 和 SPI 核心层 共同完成：

// drivers/spi/spi.c - SPI 核心层片选管理
static int spi_transfer_one_message(struct spi_controller *ctlr,
                                    struct spi_message *msg)
{
    struct spi_transfer *xfer;
    bool cs_change = false;
    int ret;

    // 1. 设置片选：调用控制器驱动的 prepare_message 或 set_cs
    if (msg->spi->mode & SPI_CS_HIGH)
        spi_set_cs(msg->spi, true);   // 高电平有效
    else
        spi_set_cs(msg->spi, false);  // 低电平有效（默认）

    // 2. 遍历传输列表
    list_for_each_entry(xfer, &msg->transfers, transfer_list) {
        // 执行实际传输
        ret = ctlr->transfer_one(ctlr, msg->spi, xfer);
        // ...
    }

    // 3. 释放片选
    spi_set_cs(msg->spi, true);  // 拉高 CS 结束传输
}

常见问题： 如果从设备要求 CS 在整条消息（多个 transfer）之间保持低电平，必须设置 spi_transfer->cs_change = 0。默认情况下，Linux SPI 核心会在每个 transfer 之间释放并重新拉低 CS，可能导致某些从设备通信失败。

2.4 多从设备地址区分机制

SPI 总线本身 没有定义设备地址，这与 I²C 总线不同。SPI 的多从设备区分完全依赖 硬件片选信号。但在某些场景下，也可以通过 软件寻址 或 命令帧 实现地址区分。

2.4.1 硬件片选寻址（标准方式）

寻址方式	原理	优点	缺点
独立片选	每个从设备独占一根 CS 引脚	简单、速度快、无地址冲突	占用 GPIO 多，扩展受限
菊花链	数据逐级转发，位置即地址	节省 GPIO，支持大量设备	延迟大，所有设备必须支持菊花链
GPIO 扩展器	通过 I²C/GPIO 扩展芯片生成更多 CS	突破 GPIO 数量限制	增加硬件成本，CS 切换延迟

2.4.2 软件命令帧寻址（无片选方式）

某些 SPI 从设备（如 RF 收发器、多通道 ADC）支持通过 命令帧中的地址字段 来区分内部寄存器或通道，所有设备共享同一根 CS：

// 示例：通过命令帧寻址的 SPI 通信
// 设备内部寄存器地址 0x3A，写入数据 0x55
uint8_t tx_buf[2] = {0x3A, 0x55};  // 地址 + 数据
uint8_t rx_buf[2] = {0, 0};

struct spi_transfer t = {
    .tx_buf = tx_buf,
    .rx_buf = rx_buf,
    .len = 2,
    .cs_change = 0,  // 保持 CS 低电平
};

struct spi_message m;
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(&t, &m);
spi_sync(spi_dev, &m);  // 发送地址+数据

2.4.3 设备树中的从设备地址配置

在 Linux 设备树中，SPI 从设备的 reg 属性 用于指定片选编号（即硬件地址）：

// 设备树示例：SPI 总线上挂载 3 个从设备
&spi0 {
    status = "okay";
    cs-gpios = <&gpio1 10 GPIO_ACTIVE_LOW>,  // CS0
               <&gpio1 11 GPIO_ACTIVE_LOW>,  // CS1
               <&gpio1 12 GPIO_ACTIVE_LOW>;  // CS2

    adc@0 {           // reg = 0 对应 CS0
        compatible = "ti,ads1256";
        reg = <0>;    // 片选编号 0
        spi-max-frequency = <10000000>;
    };

    dac@1 {           // reg = 1 对应 CS1
        compatible = "ti,dac8568";
        reg = <1>;    // 片选编号 1
        spi-max-frequency = <50000000>;
    };

    temp@2 {          // reg = 2 对应 CS2
        compatible = "maxim,max31865";
        reg = <2>;    // 片选编号 2
        spi-max-frequency = <5000000>;
    };
};

  驱动开发要点： 在 Linux SPI 驱动中，通过 spi_device->chip_select 获取设备树中配置的片选编号。控制器驱动根据此编号操作对应的 GPIO 或硬件 CS 引脚。如果使用 GPIO 模拟 CS，需要在 cs-gpios 属性中声明。

2.5 拓扑选择决策树

2.6 本章小结

单主多从拓扑 是 SPI 最常用的连接方式，每个从设备独占片选线，MISO 必须支持高阻态。
菊花链拓扑 通过数据转发节省片选引脚，适用于移位寄存器、LED 驱动等场景，但增加传输延迟。
片选信号管理 涉及建立时间、保持时间和释放时间，Linux 内核通过 spi_set_cs() 和 cs_change 标志控制。
地址区分机制 以硬件片选为主，软件命令帧寻址为辅，设备树中通过 reg 属性配置片选编号。