Linux驱动如何支持SPI协议 - 问答

Linux 驱动支持 SPI 协议的整体思路

在 Linux 中，支持 SPI 协议通常分为三层：底层 SPI 控制器驱动（实现 struct spi_controller，负责时钟、FIFO、DMA、片选等）、中间 SPI 核心层（提供总线/设备/驱动模型与消息队列）、上层 SPI 设备协议驱动（匹配具体外设，提供 probe/remove 与数据读写接口）。核心数据结构包括：struct spi_controller（主机/从机控制器）、struct spi_device（挂在某条总线上的从设备实例）、struct spi_driver（协议驱动）、struct spi_transfer（一次传输片段）、struct spi_message（由多个 transfer 组成的一次完整事务）。SPI 时序由 CPOL/CPHA 与 bits_per_word、speed_hz 等参数决定，传输为全双工，消息内片选可保持连续。现代内核还支持 Dual/Quad 等多线模式与 DMA 提升吞吐。

实现步骤

控制器驱动（主机侧）
- 定义并初始化 spi_controller，设置能力标志（如 SPI_MASTER_HALF_DUPLEX、支持的字长掩码、最大/最小速率等）。
- 实现关键回调：setup（按从设备的 mode/speed/字长配置寄存器）、transfer_one / transfer_one_message（发起一次或整条消息的传输）、可选的 can_dma、以及 prepare_message / unprepare_message、prepare_transfer_hardware / unprepare_transfer_hardware、set_cs（片选控制，若控制器无硬件片选则使用 GPIO）。
- 若使用 GPIO 片选，在控制器中准备 cs_gpios 并在 set_cs 中驱动；也可在设备树中声明片选 GPIO 并由核心或控制器解析使用。
- 注册控制器：分配并注册 spi_master，使其出现在 SPI 总线上，等待设备匹配与消息调度。
设备树或板级描述（实例化从设备）
- 设备树方式（推荐）：在 SPI 控制器节点下声明从设备子节点，至少包含 compatible、reg（片选号），并按需设置 spi-max-frequency、spi-cpol、spi-cpha、spi-cs-high、bits-per-word 等属性；内核会据此创建 spi_device 并与驱动匹配。
- 旧式板级方式：在板级代码中填充 spi_board_info 并通过 spi_register_board_info 注册，控制器注册时会扫描并创建对应的 spi_device。
设备协议驱动（外设侧）
- 定义 spi_driver，用 of_match_table 匹配设备树 compatible，实现 probe/remove。
- 在 probe 中完成设备私有数据分配、寄存器/参数初始化，并可选择使用 Regmap API 简化寄存器访问（尤其多寄存器外设）。
- 数据通信遵循“消息-片段”模型：构造一个或多个 spi_transfer（设置 tx_buf/rx_buf、len、speed_hz、bits_per_word、delay_usecs、cs_change、tx_nbits/rx_nbits 等），用 spi_message_init + spi_message_add_tail 组装，最后通过 spi_sync（同步）或 spi_async（异步回调）提交；必要时在消息间保持 CS 连续以满足时序。

关键数据结构与传输要点

常用结构
- spi_device：包含 bus_num、chip_select、mode（CPOL/CPHA）、bits_per_word、max_speed_hz 等，代表挂接在总线上的具体从设备。
- spi_transfer：一次单向（或半双工）数据片段，支持 tx_buf/rx_buf、len、speed_hz、bits_per_word、delay_usecs、cs_change、tx_nbits/rx_nbits（支持 单线/双线/四线）。
- spi_message：由多个 transfer 组成，片选在消息期间可保持，适合一次事务内的多段时序拼接。
传输与性能
- 短小数据可用 PIO（如 spi_sync），大数据或高吞吐建议启用 DMA 与消息队列（线程化）以降低 CPU 占用。
- 多线模式：通过 tx_nbits/rx_nbits 选择 DUAL/QUAD 传输（部分控制器/Flash 支持），显著提升带宽。

最小示例骨架

设备树节点（示例）

&ecspi1 {
    status = "okay";
    mydev@1 {
        compatible = "vendor,my-spi-dev";
        reg = <1>;                 /* 片选号 */
        spi-max-frequency = <20000000>;
        spi-cpol = <0>;
        spi-cpha = <0>;
        spi-cs-high;
        bits-per-word = <8>;
    };
};

驱动骨架（示例）

#include <linux/module.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/of.h>

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

static int mydev_probe(struct spi_device *spi)
{
    /* 读取设备树或平台数据配置，如 mode/speed/字长 */
    spi->mode = SPI_MODE_0; /* 示例：CPOL=0, CPHA=0 */
    spi->bits_per_word = 8;
    spi_setup(spi);

    /* TODO: 分配私有数据、初始化设备、可能用 regmap */

    return 0;
}

static int mydev_remove(struct spi_device *spi)
{
    /* TODO: 资源释放 */
    return 0;
}

static struct spi_driver mydev_driver = {
    .driver = {
        .name = "my-spi-dev",
        .of_match_table = mydev_of_match,
    },
    .probe = mydev_probe,
    .remove = mydev_remove,
};
module_spi_driver(mydev_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Minimal SPI device driver example");

调试与常见问题

确认控制器与设备绑定：检查 /sys/bus/spi/devices/ 与 /sys/bus/spi/drivers/，以及 dmesg 中 probe 输出。
片选与 GPIO：若 cs-gpios 未正确配置，可能导致片选不生效；可在控制器中实现 set_cs 或在设备树显式声明片选 GPIO。
时序与速率：核对 spi-cpol/spi-cpha、spi-max-frequency、bits-per-word 是否与器件手册一致；必要时在 transfer 中设置 delay_usecs 满足建立/保持时间。
传输模式：只读事务仍需提供 tx_buf（可指向 dummy 缓冲区）；全双工下 rx_buf 会收到同时钟移出的数据。
性能优化：长传输启用 DMA 与消息队列；多线器件使用 DUAL/QUAD 模式提升吞吐。

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