如何理解和使用Linux中的SPI设备？

Linux SPI设备

背景介绍

SPI（串行外设接口）是一种同步串行数据总线，广泛应用于嵌入式系统中，Linux操作系统对SPI设备提供了良好的支持，通过一系列的驱动框架和接口实现对SPI设备的管理和操作，本文将详细探讨Linux系统中的SPI设备，从基础概念到实际操作进行全面解析。

SPI

SPI是由Motorola定义的一种高速、全双工、同步通信总线，它通常用于连接微控制器与各种外部设备，如EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器等，SPI总线由以下四种信号组成：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备数据输出，从设备数据输入。

MISO（Master In Slave Out）：主设备数据输入，从设备数据输出。

SCLK：由主设备产生的时钟信号。

CS：从设备使能信号，由主设备控制。

SPI总线有四种不同的传输模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的不同组合决定：

模式0：CPOL=0，CPHA=0。

模式1：CPOL=0，CPHA=1。

模式2：CPOL=1，CPHA=0。

模式3：CPOL=1，CPHA=1。

Linux中的SPI设备

查看SPI设备

在Linux系统中，可以使用多种命令来查看系统中的SPI设备信息：

1、lsmod：列出已加载的内核模块，使用grep spi过滤出SPI相关模块。

   lsmod | grep spi

2、spidev_test：测试SPI设备的基本功能，需要指定具体的SPI设备文件。

   spidev_test -D /dev/spidevX.Y

3、ls /dev/spidev：列出系统中所有的SPI设备节点。

   ls /dev/spidev

4、dmesg：查看系统启动时的SPI设备信息。

   dmesg | grep spi

5、cat /sys/kernel/debug/gpio：读取SPI设备的GPIO引脚配置信息。

   cat /sys/kernel/debug/gpio

SPI驱动框架

Linux系统下的SPI驱动框架主要由三部分组成：

1、SPI核心（SPI Core）：维护和管理SPI的核心部分，提供操作接口函数。

2、SPI控制器驱动（SPI Master Driver）：针对不同类型SPI控制器硬件，实现硬件访问操作。

3、SPI设备驱动（SPI Device Driver）：对应于SPI设备端的驱动程序，负责将SPI设备挂接到总线上。

软件架构图示

+------------------------+      +----------------------+      +----------------------+
|                      |      |                   |      |                   |
|    应用程序           +----> +    SPI核心         +---->+    SPI控制器驱动      |
| (user space)          |      | (SPI Core)          |      | (SPI Master Driver)  |
|                      |      +------------------------>+      +---------------------+
                                                    |
                                                   v
                                        +----------------------------------------+
                                        |                                        |
                                        |                                     +----------------+
                                        |                                     |              |
                                        v                                    v              |
                                   +----------------+          +-----------------+
                                  |   SPI设备驱动    |<------|    SPI设备       |
                                  +----------------+          +-----------------+

关键数据结构

spi_device

spi_device结构体表示一个特定的SPI从设备，包含以下主要成员：

struct device dev：对应的设备结构。

struct spi_master *master：指向该设备使用的主控制器。

u32 max_speed_hz：通讯时钟最大频率。

u8 chip_select：片选号。

u8 mode：设备工作模式，包括时钟格式和片选信号的有效电平等。

spi_driver

spi_driver结构体表示一个SPI设备驱动，包含以下主要成员：

const struct spi_device_id *id_table：设备ID表。

int (*probe)(struct spi_device *spi)：探测函数。

int (*remove)(struct spi_device *spi)：移除函数。

void (*shutdown)(struct spi_device *spi)：关闭函数。

struct device_driver driver：设备驱动结构。

SPI设备驱动编写

编写SPI设备驱动的主要步骤如下：

1、初始化并注册SPI控制器：分配并注册SPI主控制器。

2、创建并注册SPI设备节点：在设备树中添加SPI节点及子节点。

3、实现SPI设备驱动：实现spi_driver结构体中的函数，并向内核注册。

示例代码

以下是一个简单的SPI设备驱动示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/interrupt.h>
static const struct spi_device_id icm20608_id[] = {
    {"alientek,icm20608", 0},
    {},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, icm20608_id);
struct icm20608 {
    struct spi_device *spi;
};
static int icm20608_probe(struct spi_device *spi) {
    struct icm20608 *icm = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*icm), GFP_KERNEL_DECLARE);
    if (!icm) return -ENOMEM;
    icm->spi = spi;
    printk(KERN_INFO "ICM-20608 probe
");
    return 0;
}
static int icm20608_remove(struct spi_device *spi) {
    struct icm20608 *icm = spi_get_drvdata(spi);
    printk(KERN_INFO "ICM-20608 remove
");
    kfree(icm);
    return 0;
}
static const struct of_device_id icm20608_of_match[] = {
    { .compatible = "alientek,icm20608" },
    { /* Sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, icm20608_of_match);
static struct spi_driver icm20608_driver = {
    .driver = {
        .name = "icm20608",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = icm20608_of_match,
    },
    .probe = icm20608_probe,
    .remove = icm20608_remove,
    .id_table = icm20608_id,
};
module_spi_driver(icm20608_driver);

SPI数据传输步骤

1、申请并初始化spi_transfer：设置发送和接收缓冲区以及数据长度。

2、：将spi_transfer添加到spi_message队列中。

3、进行数据传输：使用spi_sync函数完成SPI数据同步传输。

本文详细介绍了Linux系统中的SPI设备及其驱动框架，从基本概念到实际操作，涵盖了如何查看SPI设备、SPI驱动框架的构成、关键数据结构以及如何编写SPI设备驱动，通过对这些内容的掌握，开发者可以更好地理解和操作Linux系统中的SPI设备，为嵌入式系统的开发提供有力支持。

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