Linux驱动SPI总线实战：设备树描述与数据收发实现 - 第1节
1.1 SPI总线历史
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）由摩托罗拉（Motorola）公司在20世纪80年代中期提出，最初用于其MC68000系列微控制器与外围芯片之间的短距离高速通信。与同期流行的I²C总线相比，SPI以全双工、高速率、简单协议栈为设计目标，迅速成为嵌入式系统中传感器、ADC/DAC、存储器（EEPROM/Flash）、显示驱动、无线收发器等外设的标准接口之一。
| 时间节点 | 里程碑事件 | 关键特性 |
|---|---|---|
| 1985年前后 | 摩托罗拉推出SPI规范 | 4线制、全双工、主从架构 |
| 1990年代 | 各大半导体厂商广泛采纳 | 成为MCU标配外设接口 |
| 2000年代 | Linux内核引入SPI子系统 | 统一驱动框架，支持设备树 |
| 2010年代至今 | SPI协议扩展（Dual/Quad SPI） | 高速Flash、FPGA配置、MEMS传感器 |
要点：SPI从未像I²C那样形成统一的国际标准组织规范，各厂商在时序参数、命令集上存在差异，但电气和协议基础高度兼容，这为Linux SPI子系统带来了“控制器驱动 + 通用设备驱动”的分层设计思路。
1.2 SPI总线物理层特性
1.2.1 信号线定义
标准SPI总线使用4根信号线（4-wire模式），在高速或远距离场景下可扩展为6线（增加中断和复位）。
- SCLK（Serial Clock）：由主设备驱动，决定数据传输速率。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。
- MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。
- CS/SS（Chip Select / Slave Select）：由主设备控制，低电平有效，选中特定从设备。
物理层关键参数：
• 最大速率：典型10~50 MHz，高速器件可达100 MHz以上。
• 电平标准：3.3V为主流，兼容1.8V/5V（需电平转换）。
• 驱动能力：CMOS推挽输出，扇出能力取决于走线长度和负载电容。
• 抗干扰：差分SPI（如LVDS SPI）用于长距离或高噪声环境。
• 最大速率：典型10~50 MHz，高速器件可达100 MHz以上。
• 电平标准：3.3V为主流，兼容1.8V/5V（需电平转换）。
• 驱动能力：CMOS推挽输出，扇出能力取决于走线长度和负载电容。
• 抗干扰：差分SPI（如LVDS SPI）用于长距离或高噪声环境。
1.2.2 多从设备拓扑
SPI总线支持一主多从，每个从设备独占一根CS线，SCLK、MOSI、MISO共享。从设备数量受限于主设备的CS引脚数量和总线负载电容。
1.3 SPI总线协议基础
1.3.1 工作模式：CPOL与CPHA
SPI协议通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合定义4种工作模式。CPOL决定SCLK空闲电平，CPHA决定数据采样边沿。
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时钟电平 | 数据采样边沿 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 模式0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿采样 | 最常用，兼容性最好 |
| 模式1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿采样 | 部分ADC器件 |
| 模式2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿采样 | 某些存储器 |
| 模式3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿采样 | 高速Flash、FPGA配置 |
驱动开发注意：主设备和从设备必须工作在相同的SPI模式下，否则数据采样会错位，导致通信失败。Linux SPI子系统通过设备树中的
spi-cpol 和 spi-cpha 属性指定模式。
1.3.2 数据收发流程
SPI数据收发是同步全双工过程：主设备每输出一个时钟脉冲，MOSI线发送1位数据，同时MISO线接收1位数据。一次传输以CS拉低开始，以CS拉高结束。
1.3.3 传输单位与数据格式
SPI传输的基本单位是字节（8位），但许多控制器支持可编程字长（4~16位）。数据通常以MSB（最高有效位）优先传输，部分器件支持LSB优先。
数据收发关键步骤：
- 主设备拉低CS，选中从设备。
- 主设备输出SCLK时钟，同时通过MOSI发送数据。
- 从设备在采样边沿读取MOSI数据，同时在MISO上输出响应数据。
- 传输完成后，主设备拉高CS，释放从设备。
1.3.4 SPI与I²C对比
| 特性 | SPI | I²C |
|---|---|---|
| 信号线数量 | 4线（SCLK, MOSI, MISO, CS） | 2线（SCL, SDA） |
| 通信方式 | 全双工 | 半双工 |
| 最大速率 | 典型10~50 MHz，可达100 MHz+ | 标准100 kHz，快速400 kHz，高速3.4 MHz |
| 从设备选择 | 硬件CS引脚，独立片选 | 软件地址（7位或10位） |
| 协议复杂度 | 简单，无内置应答机制 | 较复杂，包含应答、仲裁、时钟拉伸 |
| 功耗 | 较高（推挽输出） | 较低（开漏输出） |
| 多主支持 | 不原生支持 | 原生支持多主仲裁 |
| 典型应用 | 高速ADC/DAC、Flash、传感器、显示 | EEPROM、温度传感器、RTC、低速外设 |
选型建议：在Linux驱动开发中，SPI适合对速率和实时性要求高的场景；I²C适合引脚受限、多设备挂载、功耗敏感的场合。两者在设备树中的描述方式有显著差异，后续章节将详细展开。
1.4 本章小结
SPI总线以其全双工、高速、简单协议的特点，在嵌入式系统中占据重要地位。物理层采用主从架构，通过4根信号线实现点对多点的可靠通信。协议层通过CPOL/CPHA组合定义4种工作模式，数据收发以字节为单位、MSB优先、同步全双工进行。理解这些基础概念，是后续学习Linux SPI子系统架构、设备树绑定和驱动编写的必要前提。