SPI接口原理以及读写接口用例的详细介绍

一，spi接口原理

SPI接口，即串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是一种同步串行数据传输协议。它主要用于连接微处理器和各种外设，如存储器、传感器、ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）等。SPI接口以其高速、全双工、同步通信的特点，在嵌入式系统中得到广泛应用。

SPI接口的工作原理主要基于主从模式。在这种模式下，一个SPI设备作为主机（Master），负责控制通信过程，包括产生时钟信号和选择从设备（Slave）。而一个或多个SPI设备可以作为从设备，等待主机的指令来响应数据读写操作。

SPI接口在硬件上主要由四根线组成：MOSI（主设备输出/从设备输入）、MISO（主设备输入/从设备输出）、SCK（时钟信号）和CS（片选信号）。MOSI线用于主机向从机发送数据，MISO线用于从机向主机发送数据。SCK线由主机产生时钟信号，控制数据的传输速度。CS线用于主机选择特定的从设备进行通信。

在SPI通信过程中，主机首先通过CS线选中一个从设备，然后通过SCK线产生时钟信号。在每个时钟周期内，主机通过MOSI线发送一个数据位给从设备，同时从设备通过MISO线发送一个数据位给主机。这样，主机和从设备就完成了一个数据位的交换。通过连续的时钟周期，主机和从设备可以完成多个数据位的交换，从而完成一个完整的数据传输过程。

总的来说，SPI接口以其高速、全双工、同步通信的特点，以及简洁的硬件连接方式，为嵌入式系统提供了一种高效、可靠的数据传输方式。

1，SPI接口
SPI总线是一种4线总线，通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以。

MOSI：Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入； MISO：Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出； SCLK：Serial Clock，时钟信号，由主设备产生； SS：Slave Select，从设备选择信号，由主设备控制；

2，时钟信号的相位和极性
SPl_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系。
CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，此位对主模式和从模式下的设备都有效。
如果CPOL被清’0’，SCK引脚在空闲状态保持低电平;
如果CPOL被置’1’，SCK引脚在空闲状态保持高电平。
如果CPHA(时钟相位)位被置’1’，SCK时钟的第二个边沿(CPOL位为0时就是下降沿，CPOL位为’1’时就是上升沿)进行数据位的采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。
如果CPHA位被清’0’，SCK时钟的第一边沿(CPOL位为’0’时就是上升沿，CPOL位为’1’时就是下降沿)进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存。
CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合选择数据捕捉的时钟边沿。
CPOL=1上升沿，CPOL=0下降沿时，采集数据。

CPOL=1下降沿，CPOL=0上升沿时，采集数据。

3，SPI工作原理总结：

硬件上为4根线。
主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

二，SPI设备驱动框架

1)一条总线

Spi总线，spi总线注册、注销

2)三个数据结构

a、Spi_driver

b、spi_transfer
这个结构体代表SPI通信中的一个具体传输操作。它包含了传输的数据缓冲区、传输的长度、速度、位序等参数。多个spi_transfer可以组合成一个spi_message，用于执行复杂的SPI通信任务。

c、spi_message
这个结构体表示一个SPI消息，它包含了一个或多个SPI传输（由spi_transfer结构体表示）。消息是SPI通信的基本单位，可以包含多个连续的传输，这些传输可以具有不同的设置（如速度、位序等）。

3）spi设备驱动中实现读写接口
在Linux中，SPI设备驱动通过SPI核心库提供的API来实现读写操作。以下是一个简化的参考代码示例，展示了如何在SPI设备驱动中实现基本的读写功能：

首先，你需要包含必要的头文件，并定义你的SPI驱动和设备：

#include<linux/module.h>#include<linux/spi/spi.h>#include<linux/of.h>#include<linux/of_device.h>#include<linux/interrupt.h>// SPI驱动结构structmy_spi_driver{structspi_device*spi;// 其他私有数据};// SPI传输描述staticintmy_spi_transfer(structspi_device*spi,constu8*txbuf,u8*rxbuf,size_tlen){structspi_transfert={.tx_buf=(void*)txbuf,.rx_buf=rxbuf,.len=len,.speed_hz=spi->max_speed_hz,.bits_per_word=8,// 或者根据你的SPI设备设置为其他值};structspi_messagem;spi_message_init(&m);spi_message_add_tail(&t,&m);returnspi_sync(spi,&m);}// SPI驱动探测函数staticintmy_spi_probe(structspi_device*spi){structmy_spi_driver*driver;intret;// 分配驱动结构体内存driver=devm_kzalloc(&spi->dev,sizeof(*driver),GFP_KERNEL);if(!driver)return-ENOMEM;// 初始化驱动结构体driver->spi=spi;spi_set_drvdata(spi,driver);// 假设我们有一个简单的读写操作u8 tx_data[]={0x01,0x02,0x03};u8 rx_data[ARRAY_SIZE(tx_data)];// 执行SPI读写操作ret=my_spi_transfer(spi,tx_data,rx_data,ARRAY_SIZE(tx_data));if(ret){dev_err(&spi->dev,"SPI transfer failed\n");returnret;}// 处理接收到的数据// ...return0;}// SPI驱动移除函数staticintmy_spi_remove(structspi_device*spi){// 清理资源structmy_spi_driver*driver=spi_get_drvdata(spi);// ...return0;}// SPI驱动结构staticstructspi_drivermy_spi_driver={.driver={.name="my_spi_driver",.owner=THIS_MODULE,.of_match_table=my_spi_of_match,// 如果使用设备树，需要定义这个},.probe=my_spi_probe,.remove=my_spi_remove,// 如果你的驱动支持ID表匹配，添加.id_table};module_spi_driver(my_spi_driver);MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

在这个示例中，my_spi_transfer 函数封装了SPI传输的通用逻辑。它创建了一个spi_transfer结构体，用于描述一次SPI传输，然后调用spi_sync函数来同步执行这次传输。