Linux用户态SPI通信详解：从spidev配置到硬件环回测试

在嵌入式Linux开发领域，SPI作为一种常见的高速同步串行通信协议，被广泛用于连接各种传感器、存储芯片和显示模块。对于需要快速验证或简化开发流程的场景，直接通过用户空间访问SPI设备往往比编写完整的内核驱动更为便捷。这其中，Linux内核的spidev框架就扮演了关键角色。本文将深入探讨如何基于spidev，在Linux用户态实现对SPI接口的配置、测试与数据通信。

一、spidev框架简介

Linux内核的SPI子系统支持两种主要的访问模式：内核驱动开发和用户态直接访问。spidev框架的核心价值在于，它允许开发者绕过复杂的内核驱动编写工作，直接通过用户空间的文件操作接口来控制SPI外设。这为快速原型开发、调试以及某些轻量级应用提供了极大便利，其优势主要体现在以下几个方面：

• 无需深入内核驱动开发，降低了技术门槛。
• 支持全双工与半双工通信，可灵活配置多种SPI模式。
• 能够动态调整通信速率、数据位宽等关键参数。
• 完全兼容标准的Linux文件I/O操作（如 open、read、write、ioctl）。

二、硬件环回测试（MOSI/MISO短路）

在着手进行软件配置之前，强烈建议先通过一次简单的硬件环回测试来验证SPI物理链路的基本连通性。这个方法能有效排查如引脚虚焊、连接错误或电平不匹配等硬件层面的问题。

测试原理

将SPI总线上的MOSI（主机输出/从机输入）引脚与MISO（主机输入/从机输出）引脚用导线短接，这样就形成了一个物理上的数据回路。当主机通过MOSI引脚发送数据时，这些数据会直接“环回”到MISO引脚被主机接收。如果接收到的数据与发送的数据完全一致，则证明SPI总线的硬件连接是正常的，可以继续进行软件层的配置。

三、设备树与内核配置

要使Linux系统能够识别并支持通过spidev访问特定的SPI外设，需要进行两项核心的系统配置：启用内核的spidev支持 和 在设备树中正确描述SPI外设信息。

3.1 内核配置

首先需要确保内核编译时启用了对用户态SPI设备的支持。操作步骤如下：

1. 进入你的Linux内核源代码目录。
2. 执行 make menuconfig 命令打开内核配置菜单。
3. 导航至 Device Drivers -> SPI support -> User mode SPI device driver support。
4. 将该选项配置为 y（编译进内核）或 m（编译为可加载模块）。
5. 保存配置，然后重新编译内核（或模块），并将新的内核镜像更新到你的开发板上。

3.2 设备树配置

设备树（Device Tree）用于向内核描述硬件信息。对于SPI外设，我们需要在其中明确SPI控制器、引脚复用、通信参数等。一个典型的spidev设备节点配置示例如下：

&spi4 {
    pinctrl-names = "default", "sleep";  // 引脚状态配置（默认/休眠）
    pinctrl-0 = <&spi4_pins_a>;         // 默认状态引脚配置
    pinctrl-1 = <&spi4_sleep_pins_a>;   // 休眠状态引脚配置
    status = "okay";                    // 启用spi4控制器

    spidev@0{
        compatible = "rohm,dh2228fv";   // 兼容属性（支持spidev框架）
        reg = <0>;                      // 从设备地址（对应SPI片选索引）
        spi-max-frequency = <4000000>;  // 最大通信速率4MHz
    };
};

配置说明

• pinctrl-names 与 pinctrl-0/1：指定SPI引脚在不同电源状态下的复用配置，需要与开发板的实际引脚定义保持一致。
• reg = <0>：指定该SPI从设备的片选（Chip Select）索引号。如果系统中有多个SPI从设备挂载在同一控制器上，需要通过此参数来区分。
• spi-max-frequency：根据你所连接外设的规格书进行调整，设定值不应超过SPI控制器和外设芯片双方支持的最大速率。

配置完成后，重新编译设备树（执行 make dtbs），并将生成的 .dtb 文件部署到开发板。

四、基于spidev_test的SPI单元测试

spidev_test 是Linux内核源码中自带的一个官方测试工具，它功能全面，支持全/半双工传输、速率与模式配置，是验证spidev接口是否正常工作的首选工具。

4.1 工具获取与编译

该工具的源码位于内核源码树的 tools/spi/ 目录下，文件名为 spidev_test.c。获取后，使用交叉编译工具链进行编译：

aarch64-linux-gnu-gcc spidev_test.c -o spidev_test

编译完成后，将生成的可执行文件 spidev_test 拷贝到你的开发板中即可。

4.2 核心选项说明

执行 ./spidev_test -h 可以查看所有可用选项。下表列出了核心参数：

类别	选项	功能描述
设备配置	-D/--device	指定spidev设备节点（默认 /dev/spidev1.1）
	-s/--speed	设置最大通信速率（单位：Hz）
	-d/--delay	设置两次传输间的延迟（单位：微秒）
SPI模式	-H/--cpha	配置时钟相位（CPHA）
	-O/--cpol	配置时钟极性（CPOL）
传输模式	-l/--loop	启用环回模式（配合硬件短接使用）
	-t/--txonly	仅发送模式（半双工）
	-r/--rxonly	仅接收模式（半双工）
数据配置	-b/--bpw	设置每字的数据位宽（如8，16）
	-S/--size	设置单次传输的数据长度
	-I/--iter	设置传输迭代次数
数据I/O	-i/--input	从指定文件读取发送数据（如 test.bin）
	-o/--output	将接收数据输出到文件（如 results.bin）
	-p	直接指定要发送的原始数据（如 "1234\xde\xad"）
辅助功能	-v/--verbose	启用详细模式，打印收发缓冲区数据

4.3 32字节全双工环回测试

结合前文所述的硬件环回（MOSI与MISO短接）配置，我们可以执行以下命令进行测试：

./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -v -l

命令解析

• -D /dev/spidev0.0：指定要测试的SPI设备节点。请根据你设备树中的实际配置进行调整，可以通过 ls /dev/spidev* 命令查看系统中存在的节点。
• -v：启用详细输出模式，这样我们就能看到具体发送和接收的数据内容。
• -l：启用软件环回模式。注意，此处的环回模式需要与硬件的物理短接配合才能生效。

预期输出
如果一切配置正确，你将看到类似以下的输出，其中发送（TX）和接收（RX）的数据缓冲区内容完全一致：

spi mode: 0x0
bits per word: 8
max speed: 500000 Hz (500 KHz)
TX | FF FF FF FF FF FF 40 00 00 00 00 95 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 0D  | ......@....
.................. .
RX  | FF FF FF FF FF FF 40 00 00 00 00 95 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 0D  | ......@....
.................. .

TX与RX数据一致，即证明从软件配置到硬件连接的整个SPI通路工作正常。

4.4 注意事项

在实际使用 spidev_test 或编写自己的应用程序时，有几点需要特别注意：

• 速率适配：工具默认使用500KHz的速率。如果你的SPI控制器时钟源或分频配置不支持此速率，需要使用 -s 选项指定一个合法的值，例如 -s 4000000 表示4MHz。
• 模式匹配：不同的SPI外设可能工作在不同的模式（由CPOL和CPHA组合定义）。如果外设要求模式1、2或3，你需要使用 -O（设置CPOL）和 -H（设置CPHA）选项进行匹配。
• 数据位宽：默认数据位宽是8位/字。如果外设支持16位或其它位宽传输，需要使用 -b 选项指定，例如 -b 16。

总结

通过spidev框架在Linux用户态操作SPI接口，是一种高效且灵活的开发方式，特别适合前期验证、快速原型开发以及不需要复杂内核交互的应用。整个过程围绕 内核配置、设备树描述 和 用户空间工具测试 三个核心步骤展开。掌握这个方法，能让你在嵌入式Linux开发中，更加游刃有余地应对各种SPI外设。希望这篇结合了硬件环回测试与spidev_test工具使用的指南，能为你带来切实的帮助。如果你想深入探讨更多关于嵌入式开发或系统内核的底层知识，欢迎在云栈社区与其他开发者一起交流学习。