SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步的串行通信协议，通常用于微控制器和外部设备（如传感器、存储器、显示屏等）之间的高速数据传输。SPI协议由主设备（Master）和从设备（Slave）组成，主设备发起通信并控制时序，而从设备根据主设备的指令进行响应。
SPI使用4根信号线进行通信：
- MOSI (Master Out Slave In)：主设备输出，数据从主设备流向从设备。
- MISO (Master In Slave Out)：主设备输入，数据从从设备流向主设备。
- SCK (Serial Clock)：串行时钟，由主设备提供，用于同步数据传输。
- SS (Slave Select)：从设备选择信号，主设备通过拉低此信号来选择与其通信的从设备。
SPI协议基于全双工通信，即数据在传输时可以同时进行发送和接收。SPI数据传输的关键是时钟同步，数据在时钟的每个上升沿或下降沿时进行采样。协议的基本通信流程如下：
- 初始化：
- 主设备选择一个从设备，拉低对应的SS信号线。
- 主设备配置SPI的时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA），确保双方时钟同步。
- 数据传输：
- 主设备在时钟的上升沿或下降沿发送数据，同时从设备在相同的时钟边缘读取数据。
- 主设备发送数据后，等待从设备通过MISO线发送数据回到主设备。
- 数据传输顺序：
- 在SPI协议中，数据从MOSI线发送到从设备，同时从设备通过MISO线返回数据给主设备。传输顺序和方向在每个时钟周期内互相交替。
SPI的时序是协议的核心，控制着数据如何在主设备与从设备之间传递。以下是SPI的典型时序示例：
-
CPOL = 0，CPHA = 0（时钟极性低，时钟相位为0）
- 在时钟线的上升沿时，数据位从主设备的MOSI线传输到从设备。
- 在时钟线的下降沿时，从设备的MISO线发送数据。
-
CPOL = 0，CPHA = 1（时钟极性低，时钟相位为1）
- 在时钟线的下降沿时，主设备发送数据。
- 在时钟线的上升沿时，从设备的MISO线发送数据。
-
CPOL = 1，CPHA = 0（时钟极性高，时钟相位为0）
- 时钟信号在数据传输时有反向变化。
-
CPOL = 1，CPHA = 1（时钟极性高，时钟相位为1）
- 这种模式通常用于在某些特殊硬件上进行高速数据通信。
时钟极性和相位的选择直接影响数据采样时刻和数据稳定的时序。具体选择哪个时钟模式依赖于具体的应用和从设备的要求。
假设现在主控芯片要传输一个0x56数据给SPI Flash，时序如上：首先CS0先拉低选中SPI Flash，0x56的二进制就是0b0101 0110，因此在每个SCK时钟周期，DO输出对应的电平。 SPI Flash会在每个时钟周期的上升沿读取D0上的电平。
其次再具体说明一下在SPI协议中，有两个值来确定SPI的模式。 CPOL:表示SPICLK的初始电平，0为电平，1为高电平 CPHA:表示相位，即第一个还是第二个时钟沿采样数据，0为第一个时钟沿，1为第二个时钟沿。
我们常用的是模式0和模式3，因为它们都是在上升沿采样数据，不用去在乎时钟的初始电平是什么，只要在上升沿采集数据就行。 极性选什么？格式选什么？通常去参考外接的模块的芯片手册。比如对于OLED，查看它的芯片手册时序部分：
SCLK的初始电平我们并不需要关心，只要保证在上升沿采样数据就行。
在Linux中，SPI协议的实现涉及多个层次，包括驱动程序、硬件控制和协议管理。Linux内核提供了一个标准的SPI子系统，简化了设备驱动的开发，并且允许用户空间通过/dev/spidev接口与SPI设备进行通信。
SPI驱动通常包括以下几个部分：
- SPI设备描述符：定义设备的相关信息，如SPI总线速率、工作模式、设备ID等。
- SPI设备操作函数：包括发送和接收数据的函数，如
spi_transfer()。 - SPI总线配置：配置SPI总线参数，如时钟频率、极性、相位、数据位宽等。
Linux SPI驱动工作流程
- SPI总线初始化：SPI总线驱动首先初始化SPI总线，注册SPI总线控制器。
- SPI设备注册：通过SPI设备结构体
spi_device注册到SPI总线，驱动程序会在设备初始化时设置设备的配置参数。 - 数据传输：通过调用
spi_sync()或者spi_async()来同步或异步地进行SPI数据传输。 - 传输过程：
- SPI数据传输通过
spi_message结构体完成，包含了多个SPI传输操作。 - 数据通过
spi_transfer结构体传输，每个传输项包含发送和接收数据的缓冲区以及其他控制参数。
- SPI数据传输通过
spidev是一个Linux设备驱动，允许用户空间程序通过标准文件I/O接口（如read/write）与SPI总线设备进行交互。通过spidev，用户可以控制SPI设备，而不需要编写复杂的内核驱动。应用程序通过打开/dev/spidevX.Y文件来访问SPI设备，使用标准的ioctl命令来配置SPI设备。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
int main() {
int fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("Unable to open SPI device");
return -1;
}
uint8_t mode = SPI_MODE_0;
uint32_t speed = 500000;
uint8_t bits = 8;
// Set SPI mode
if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode) == -1) {
perror("Unable to set SPI mode");
close(fd);
return -1;
}
// Set SPI speed
if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed) == -1) {
perror("Unable to set SPI speed");
close(fd);
return -1;
}
// Set bits per word
if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits) == -1) {
perror("Unable to set bits per word");
close(fd);
return -1;
}
uint8_t tx_buffer[2] = {0x01, 0x02};
uint8_t rx_buffer[2] = {0};
struct spi_ioc_transfer transfer = {
.tx_buf = (unsigned long)tx_buffer,
.rx_buf = (unsigned long)rx_buffer,
.len = sizeof(tx_buffer),
.speed_hz = speed,
.bits_per_word = bits
};
// Perform SPI transfer
if (ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &transfer) < 0) {
perror("SPI transfer failed");
close(fd);
return -1;
}
printf("Received data: 0x%02x 0x%02x\n", rx_buffer[0], rx_buffer[1]);
close(fd);
return 0;
}