2. Linux SPI子系统架构

Linux SPI子系统采用分层设计，将硬件控制、协议传输和设备操作解耦为三个独立层次，并通过设备树完成硬件描述与平台适配。理解这一架构是开发高性能SPI驱动（尤其是DMA传输优化）的基础。

2.1 架构总览：四层模型

SPI子系统从下到上分为：SPI控制器驱动层（硬件相关）、SPI核心层（通用框架）、SPI设备驱动层（协议相关），以及贯穿硬件描述的SPI设备树绑定。下图展示了各层之间的调用关系与数据流。

2.2 SPI核心层（SPI Core）

核心层位于 drivers/spi/spi.c，是子系统的心脏。它不直接操作硬件，而是提供统一的框架来管理总线、设备和传输。

2.3 SPI控制器驱动层

控制器驱动直接与 SoC 的 SPI 硬件模块交互，负责配置寄存器、管理 FIFO、触发 DMA 请求。每个 SPI 控制器对应一个 struct spi_controller 实例。

控制器驱动核心接口

// 控制器驱动必须实现的核心回调
struct spi_controller {
    // 传输方法（二选一或同时实现）
    int (*transfer_one)(struct spi_controller *ctlr,
                        struct spi_device *spi,
                        struct spi_transfer *transfer);
    int (*transfer_one_message)(struct spi_controller *ctlr,
                                struct spi_message *msg);

    // DMA 相关
    int (*dma_map)(struct spi_controller *ctlr,
                   struct spi_transfer *xfer);
    void (*dma_unmap)(struct spi_controller *ctlr,
                      struct spi_transfer *xfer);

    // 硬件控制
    void (*set_cs)(struct spi_device *spi, bool enable);
    int (*prepare_message)(struct spi_controller *ctlr,
                           struct spi_message *msg);
    int (*unprepare_message)(struct spi_controller *ctlr,
                             struct spi_message *msg);

    // 控制器能力标志
    u32 mode_bits;          // 支持的 SPI 模式
    u32 flags;              // 如 SPI_CONTROLLER_MUST_TX
    u16 bus_num;            // 总线编号
    size_t max_dma_len;     // 单次 DMA 最大长度
};

2.4 SPI设备驱动层

设备驱动位于最上层，实现具体的协议逻辑。它通过核心层提供的 API 与 SPI 控制器通信，不关心底层硬件细节。

设备驱动注册模板

static const struct spi_device_id my_spi_ids[] = {
    { "my-spi-device", 0 },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, my_spi_ids);

static const struct of_device_id my_spi_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-spi-device" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_spi_of_match);

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name   = "my-spi-device",
        .of_match_table = my_spi_of_match,
    },
    .id_table = my_spi_ids,
    .probe    = my_spi_probe,
    .remove   = my_spi_remove,
};
module_spi_driver(my_spi_driver);

设备驱动中的传输模式选择

2.5 SPI设备树绑定

设备树是 SPI 子系统的硬件描述语言，用于在系统启动时静态描述 SPI 控制器和从设备的拓扑、参数及资源（包括 DMA 通道）。

典型 SPI 设备树节点结构

// SPI 控制器节点（位于 SoC dtsi 中）
spi0: spi@ff010000 {
    compatible = "vendor,spi-controller";
    reg = <0xff010000 0x1000>;
    interrupts = <0 32 4>;
    clocks = <&clkc 15>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;

    // DMA 通道描述（用于控制器驱动）
    dmas = <&dma 0 2>, <&dma 1 2>;
    dma-names = "tx", "rx";

    // SPI 从设备节点（位于板级 dts 中）
    spi-device@0 {
        compatible = "vendor,my-spi-device";
        reg = <0>;              // CS0
        spi-max-frequency = <20000000>;
        spi-cpha;               // CPHA=1
        spi-cpol;               // CPOL=1
        spi-cs-high;            // CS 高有效
        spi-3wire;              // 三线模式
    };
};

设备树关键属性说明

2.6 各层协作示例：一次 DMA 传输的完整路径

以设备驱动发起一次 4KB 读请求为例，展示数据在各层的流转：

1. 设备驱动构造 spi_message + spi_transfer，调用 spi_async()。
2. 核心层将消息加入控制器队列，调用控制器驱动的 transfer_one 回调。
3. 控制器驱动检查传输长度 > FIFO 深度阈值，决定启用 DMA。
4. 控制器驱动调用 dma_map 映射缓冲区，配置 DMA 描述符（源/目的地址、长度、中断）。
5. 启动 DMA 传输，硬件自动完成数据搬移，完成后触发 DMA 完成中断。
6. 控制器驱动在中断处理中调用 spi_finalize_current_transfer()，通知核心层传输完成。
7. 核心层唤醒等待队列或调用设备驱动的完成回调。

2.7 架构设计对性能优化的启示