Linux驱动SPI总线实战：设备树描述与数据收发实现 - 第3节
3.1 SPI时序基础：时钟极性与相位
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步、全双工、主从架构的串行通信协议。其核心时序由时钟极性（CPOL，Clock Polarity）和时钟相位（CPHA，Clock Phase）两个参数决定。理解这两个参数是正确配置SPI设备、确保数据可靠传输的前提。
3.1.1 时钟极性（CPOL）
CPOL定义了SPI时钟线（SCLK）在空闲状态（即没有数据传输时）的电平。
- CPOL = 0：空闲时SCLK为低电平（0）。
- CPOL = 1：空闲时SCLK为高电平（1）。
3.1.2 时钟相位（CPHA）
CPHA定义了数据采样（读取）和切换（输出）相对于时钟边沿的时刻。
- CPHA = 0：数据在时钟的第一个边沿被采样。对于CPOL=0，第一个边沿是上升沿；对于CPOL=1，第一个边沿是下降沿。
- CPHA = 1：数据在时钟的第二个边沿被采样。
记忆口诀：“CPOL看空闲，CPHA看边沿。CPHA=0，第一个边沿采数据；CPHA=1，第二个边沿采数据。”
3.2 SPI四种工作模式（Mode 0/1/2/3）
通过组合CPOL和CPHA，SPI定义了四种标准工作模式。这是驱动开发中设备树配置和初始化代码的核心依据。
| SPI Mode | CPOL | CPHA | 空闲时钟电平 | 数据采样边沿 | 常见应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿（第一个边沿） | 大多数SPI Flash、SD卡、传感器 |
| Mode 1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿（第二个边沿） | 部分音频编解码器、ADC |
| Mode 2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿（第一个边沿） | 某些TI/ADI的专用芯片 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿（第二个边沿） | 部分RF模块、EEPROM |
驱动开发陷阱：从设备的数据手册必须明确标注其支持的SPI模式。如果主控与从设备的模式不匹配，会导致数据移位、CRC错误或完全无法通信。最常见的默认模式是 Mode 0。
3.3 时序波形图解（内联SVG）
下图展示了SPI Mode 0和Mode 3的典型时序波形，直观对比CPOL和CPHA对数据采样与输出的影响。
3.4 设备树中配置SPI模式
在Linux设备树中，通过spi-cpol和spi-cpha属性来指定从设备的SPI模式。如果这两个属性都不存在，内核默认使用Mode 0。
3.4.1 设备树属性示例
&spi1 {
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_spi1>;
spidev@0 {
compatible = "spidev";
reg = <0>;
spi-max-frequency = <10000000>; /* 10 MHz */
spi-cpol; /* CPOL = 1 */
spi-cpha; /* CPHA = 1 */
/* 上述组合等效于 SPI Mode 3 */
};
flash@1 {
compatible = "jedec,spi-nor";
reg = <1>;
spi-max-frequency = <50000000>;
/* 未指定 spi-cpol 和 spi-cpha，默认 Mode 0 */
};
};
关键点：
spi-cpol：存在即表示CPOL=1，否则CPOL=0。spi-cpha：存在即表示CPHA=1，否则CPHA=0。- 驱动代码通过读取
spi->mode字段获取模式，该字段由内核根据设备树自动解析。
3.5 驱动代码中配置SPI模式
在SPI设备驱动中，通常不需要手动设置模式，因为内核在spi_add_device()时会根据设备树自动完成。但了解其底层实现有助于调试。
3.5.1 内核模式定义
/* 来自 include/linux/spi/spi.h */
#define SPI_CPOL BIT(0) /* 时钟极性 */
#define SPI_CPHA BIT(1) /* 时钟相位 */
#define SPI_MODE_0 (0|0) /* CPOL=0, CPHA=0 */
#define SPI_MODE_1 (0|SPI_CPHA) /* CPOL=0, CPHA=1 */
#define SPI_MODE_2 (SPI_CPOL|0) /* CPOL=1, CPHA=0 */
#define SPI_MODE_3 (SPI_CPOL|SPI_CPHA) /* CPOL=1, CPHA=1 */3.5.2 手动设置模式（调试或特殊场景）
static int my_spi_probe(struct spi_device *spi)
{
int ret;
/* 手动强制设置为 Mode 1 */
spi->mode = SPI_MODE_1;
ret = spi_setup(spi);
if (ret < 0) {
dev_err(&spi->dev, "Failed to setup SPI mode\n");
return ret;
}
dev_info(&spi->dev, "SPI mode configured: %d\n", spi->mode);
return 0;
}
注意：手动修改
spi->mode后必须调用spi_setup()，该函数会将模式配置同步到SPI控制器的硬件寄存器。如果设备树已正确配置，不建议在驱动中再次修改，以免造成冲突。
3.6 模式配置流程（内联SVG）
下图展示了从设备树解析到硬件寄存器配置的完整流程。
3.7 常见问题与调试技巧
- 数据全是0xFF或0x00：通常是因为SPI模式不匹配，导致主控采样到了错误边沿的数据。
- 第一个字节错误，后续正确：可能是CPHA配置错误，导致第一个时钟边沿的数据未被正确采样。
- 使用逻辑分析仪：抓取SCLK、MOSI、MISO和CS信号，对照数据手册的时序图检查CPOL和CPHA。
- 内核调试：开启
CONFIG_SPI_DEBUG，查看dmesg中SPI控制器打印的模式信息。
实战建议：在开发初期，先使用
spidev_test工具配合逻辑分析仪验证SPI模式是否正确，再编写正式驱动代码。这可以隔离硬件问题与软件问题。