3. Linux SPI子系统框架：分层架构与关键数据结构

Linux SPI子系统采用经典的分层架构设计，将硬件控制、核心机制与设备逻辑解耦。理解这一分层体系是进行SPI驱动开发与性能调优的基础。本章深入剖析SPI核心层、控制器驱动层、设备驱动层的职责边界，并详细解读三个核心数据结构：spi_master、spi_device 和 spi_transfer。

3.1 三层架构总览

SPI子系统从上到下分为三层，每一层都有明确的职责和接口契约。

• 设备驱动层（SPI Protocol Driver）： 位于最上层，与具体的SPI外设（如ADC、传感器、显示屏）交互。通过核心层提供的API发起数据传输，不直接操作控制器寄存器。
• SPI核心层（SPI Core）： 中间层，提供统一的框架。管理总线注册、设备枚举、数据传输队列、同步机制。定义了标准的数据结构（spi_master、spi_device、spi_transfer）和回调函数。
• 控制器驱动层（SPI Controller Driver）： 最底层，直接操作SPI控制器硬件寄存器。负责FIFO管理、DMA配置、时钟与片选控制。实现核心层定义的回调接口（如 transfer_one、prepare_message）。

3.2 关键数据结构详解

SPI子系统的核心由三个数据结构支撑，它们贯穿整个数据传输生命周期。

3.2.1 spi_master：控制器实例

spi_master 代表一个SPI控制器硬件实例，是控制器驱动的核心对象。它包含了控制器的硬件能力、配置参数以及回调函数指针。

3.2.2 spi_device：外设抽象

spi_device 代表一个连接到SPI总线上的具体外设。它由核心层在设备枚举时创建，并绑定到对应的设备驱动。

struct spi_device {
    struct device           dev;            // 内核通用设备结构
    struct spi_master       *master;        // 所属控制器
    u32                     max_speed_hz;   // 该外设的最大SCLK频率
    u8                      chip_select;    // 片选编号
    u8                      mode;           // SPI模式 (CPOL/CPHA/CS_HIGH/3WIRE等)
    u8                      bits_per_word;  // 字长，通常为8
    int                     irq;            // 外设中断号（可选）
    void                    *controller_data; // 控制器私有数据
    struct spi_device       *dev;           // 链表指针
};

• 生命周期： 在板级代码或设备树中定义后，由核心层在 spi_register_master 过程中创建。
• 绑定关系： 通过 spi_driver 的 id_table 或 of_match_table 匹配。
• 配置隔离： 每个 spi_device 拥有独立的 max_speed_hz 和 mode，控制器驱动在切换片选时自动应用这些配置。

3.2.3 spi_transfer：数据传输单元

spi_transfer 是SPI数据传输的最小单元。一个SPI消息（spi_message）可以包含多个 spi_transfer，它们按顺序执行，片选在整个消息期间保持有效。

struct spi_transfer {
    const void      *tx_buf;        // 发送缓冲区（NULL表示只接收）
    void            *rx_buf;        // 接收缓冲区（NULL表示只发送）
    unsigned        len;            // 传输字节数
    unsigned        speed_hz;       // 本次传输的SCLK频率（0表示使用默认值）
    u16             bits_per_word;  // 本次传输的字长（0表示使用默认值）
    u8              cs_change;      // 传输完成后是否切换片选
    u8              tx_nbits;       // 发送线宽（1/2/4，用于双/四线模式）
    u8              rx_nbits;       // 接收线宽
    dma_addr_t      tx_dma;         // DMA发送地址（由控制器驱动填充）
    dma_addr_t      rx_dma;         // DMA接收地址（由控制器驱动填充）
    struct sg_table tx_sg;          // 发送的SG列表（用于SG-DMA）
    struct sg_table rx_sg;          // 接收的SG列表（用于SG-DMA）
};

3.3 数据传输流程

一个典型的SPI数据传输从设备驱动发起，经过核心层调度，最终由控制器驱动执行。以下是标准流程的步骤分解：

1. 设备驱动构造消息： 初始化 spi_message，添加一个或多个 spi_transfer，设置缓冲区与长度。
2. 发起同步/异步传输： 调用 spi_sync()（阻塞）或 spi_async()（非阻塞，需提供完成回调）。
3. 核心层排队： 将消息加入 spi_master 的消息队列，通过 spi_pump_messages() 工作队列调度。
4. 控制器驱动执行： 核心层调用 master->transfer_one()，控制器驱动在此函数中操作硬件寄存器完成数据收发。
5. 完成通知： 传输完成后，控制器驱动调用 spi_finalize_current_message()，核心层唤醒等待的同步线程或调用异步回调。

3.4 分层架构的模块交互

下表总结了各层之间的核心交互接口与数据流向：