SPI驱动开发从FIFO模式到DMA传输性能调优 - 第1节

1.1 SPI总线四线制工作原理

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步、全双工、主从架构的串行通信总线。其物理层由四条信号线构成，分别承担时钟、数据输出、数据输入和片选功能。

SPI 通信的基本流程如下：

1. 主设备将目标从设备的 CS 引脚拉低，激活从设备。
2. 主设备在 SCLK 线上产生连续的时钟脉冲。
3. 在每个时钟周期内，主设备通过 MOSI 线发送 1 bit 数据，同时从设备通过 MISO 线发送 1 bit 数据。
4. 数据传输完成后，主设备将 CS 引脚拉高，释放从设备。

1.2 时钟极性与相位（CPOL、CPHA）配置

SPI 协议通过 CPOL（Clock Polarity，时钟极性） 和 CPHA（Clock Phase，时钟相位） 两个参数定义数据采样与输出的时钟边沿。这两个参数组合成四种工作模式（Mode 0 ~ Mode 3）。

CPOL 决定 SCLK 空闲时的电平状态：

• CPOL = 0：空闲时 SCLK 为低电平，第一个时钟边沿为上升沿。
• CPOL = 1：空闲时 SCLK 为高电平，第一个时钟边沿为下降沿。

CPHA 决定数据采样发生在哪个时钟边沿：

• CPHA = 0：在第一个时钟边沿（上升沿或下降沿）采样数据。
• CPHA = 1：在第二个时钟边沿（下降沿或上升沿）采样数据。

1.3 全双工通信模式解析

SPI 的核心优势在于其全双工（Full-Duplex）通信能力：在每个时钟周期内，主设备通过 MOSI 发送数据的同时，从设备通过 MISO 发送数据，两者互不干扰。这种机制使得 SPI 在同等时钟频率下，有效数据吞吐量是 I²C 或 UART 的两倍。

全双工通信的数据流模型如下：

在 Linux 内核 SPI 驱动中，全双工通信通过 spi_transfer 结构体实现：

struct spi_transfer {
    const void  *tx_buf;    // 发送数据缓冲区
    void        *rx_buf;    // 接收数据缓冲区
    unsigned    len;        // 传输字节数
    unsigned    speed_hz;   // 时钟频率
    unsigned    cs_change;  // 传输完成后是否切换 CS
    // ... 其他成员
};