在嵌入式系统里，SPI（Serial Peripheral Interface）协议如同一条高速通道，连接着各种外设，实现高效的数据交互。它凭借简单易用、传输速率快的优点，在连接传感器、Flash、显示屏等场景中广泛应用，是嵌入式开发中不可或缺的一环。
而掌握Linux系统下的SPI驱动开发，则是嵌入式工程师释放系统潜能、实现复杂外设功能落地的关键技能。无论是智能家居的传感器联动，还是工业控制中的设备通信，背后都离不开稳定可靠的SPI驱动支撑。
一、SPI 基础
想把SPI驱动开发好，首先得把协议基础打牢。SPI的核心逻辑并不复杂，重点掌握总线结构、工作模式和传输特性，就能避开大部分入门级的坑。
1.1 SPI 总线结构与信号定义
SPI采用主从架构，由一个主设备（如MCU）和一个或多个从设备（如SPI Flash）组成。主设备负责生成时钟、选择从设备，主导整个通信节奏，从设备则被动配合完成数据收发。它们通过四根核心信号线连接，每根线的作用都非常明确：
- SCK（Serial Clock）：时钟线，由主设备产生，是整个通信的“节拍器”。其频率决定了数据传输的速率，主从设备依据SCK的脉冲同步数据的发送和接收。
- MOSI（Master Output Slave Input）：主发从收线。主设备通过这条“高速公路”，将数据一位一位地发送给从设备。
- MISO（Master Input Slave Output）：主收从发线。与MOSI相反，是从设备向主设备反馈数据的“回程路”。
- CS（Chip Select）：片选线，也称为SS（Slave Select）。主设备通过拉低某个从设备对应的CS线来“选中”它。通常低电平有效，未被选中的从设备处于高阻态。需注意，部分特殊芯片可能存在MOSI与MISO引脚复用的情况。
1.2 SPI 四种工作模式
SPI的四种工作模式，本质是时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的四种组合。这两个参数直接决定了数据采样的时序，主从设备必须配置相同，否则数据传输必定错乱。
先明确两个核心参数的定义：
- CPOL（时钟极性）：决定时钟线空闲时的电平。CPOL=0时，SCK空闲为低电平；CPOL=1时，SCK空闲为高电平。
- CPHA（时钟相位）：决定数据采样的时钟边沿。CPHA=0时，在时钟的第一个边沿采样；CPHA=1时，在时钟的第二个边沿采样。
由此组合出四种工作模式：
- Mode 0：CPOL = 0，CPHA = 0。空闲时SCK为低电平，数据在时钟第一个边沿（上升沿）采样。
- Mode 1：CPOL = 0，CPHA = 1。空闲时SCK为低电平，数据在时钟第二个边沿（下降沿）采样。
- Mode 2：CPOL = 1，CPHA = 0。空闲时SCK为高电平，数据在时钟第一个边沿（下降沿）采样。
- Mode 3：CPOL = 1，CPHA = 1。空闲时SCK为高电平，数据在时钟第二个边沿（上升沿）采样。
在实际开发中，务必确保主从设备模式一致。例如，很多SPI Flash默认工作在Mode 3，那么主设备的驱动也必须配置为Mode 3。
1.3 SPI 传输核心特性
SPI协议拥有全双工和同步传输两大优势。全双工允许主从设备同时收发数据，就像两人可以同时通话，大大提升了效率。同步传输则依靠SCK时钟同步双方操作，保证了数据传输的准确性和稳定性，减少了错误。
当然，SPI也有其局限性：它没有内置的应答和流控制机制，主设备无法确认从设备是否成功接收数据，在高速或可靠性要求极高的场景中需要上层协议弥补。
为了提高效率，SPI支持FIFO（先进先出缓冲区）和DMA（直接内存访问）两种传输方式。DMA允许外设直接访问系统内存，无需CPU干预，能显著减轻CPU负担并提升大数据量传输的速度，在对时序要求严格的场景（如红外数据传输）中尤为有用。
二、Linux SPI 驱动架构
Linux的SPI驱动采用了经典的分层设计，核心思想是“解耦”——将硬件操作、核心逻辑、设备适配分离，从而提升驱动的可移植性和复用性。整个架构分为三层，各司其职。
2.1 Linux SPI 驱动三层架构解析
三层架构从上到下依次为：SPI设备驱动层、SPI核心层、SPI控制器驱动层（也称主机驱动层）。理解每层的职责，是上手开发的关键。
- SPI核心层：承上启下的桥梁。它向上为设备驱动提供统一接口，向下屏蔽不同物理总线控制器的差异。它就像系统的“管理员”和“翻译官”，负责驱动的注册注销管理，并制定统一的交互规范，使得设备驱动无需关心底层硬件的具体实现。
- SPI控制器驱动层：直接操作硬件的“管家”。它负责初始化具体的SPI控制器硬件，配置工作模式、时钟频率，管理DMA和中断等。由于可能有多个设备请求传输，它还需要对请求进行队列管理，保证先进先出。
- SPI设备驱动层：外设的“专属管家”。它针对具体的SPI外设（如Flash、传感器）进行开发，负责实现设备的初始化、参数配置以及数据传输等功能。它通过调用SPI核心层提供的接口，与底层控制器交互，完成与外设的数据交换。
2.2 关键数据结构
Linux SPI驱动的核心是三个紧密关联的数据结构：spi_master、spi_device、spi_driver。理清它们的定义和关系，就掌握了驱动的骨架。
1. struct spi_master
描述SPI主控制器，是控制器驱动层的核心。
struct spi_master {
struct device dev;
struct list_head list;
s16 bus_num;
u16 num_chipselect;
int (*setup)(struct spi_device *spi);
int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);
void (*cleanup)(struct spi_device *spi);
// 其他成员...
};
dev: 用于纳入Linux设备模型管理。bus_num: 总线编号，用于区分不同的SPI总线。num_chipselect: 支持的片选信号数量，决定能连接多少从设备。setup: 函数指针，用于设置SPI设备参数（模式、频率等）。transfer: 核心函数指针，实现具体的数据传输。cleanup: 函数指针，用于设备注销时的资源清理。
2. struct spi_device
描述具体的SPI外设，记录了设备的通信参数。
struct spi_device {
struct device dev;
struct spi_master *master;
u32 max_speed_hz;
u8 chip_select;
u8 mode;
u8 bits_per_word;
int irq;
void *controller_state;
void *controller_data;
char modalias[SPI_NAME_SIZE];
// 其他成员...
};
master: 指向所连接的SPI主控制器，建立关联。max_speed_hz: 设备支持的最大时钟频率。chip_select: 设备使用的片选信号编号。mode: SPI工作模式（如SPI_MODE_0）。bits_per_word: 每次传输的数据位宽（如8位、16位）。modalias: 设备别名，用于驱动匹配。
3. struct spi_driver
描述SPI设备驱动，是设备驱动层的核心。
struct spi_driver {
const struct spi_device_id *id_table;
int (*probe)(struct spi_device *spi);
int (*remove)(struct spi_device *spi);
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
int (*suspend)(struct spi_device *spi, pm_message_t mesg);
int (*resume)(struct spi_device *spi);
struct device_driver driver;
};
id_table: 驱动支持的设备ID表，用于匹配。probe: 关键函数，设备与驱动匹配成功后调用，用于初始化。remove: 驱动移除时调用，用于释放资源。driver: 包含驱动名称等基本信息，纳入设备模型。
三者关系：spi_device通过master指针关联spi_master；spi_driver通过probe函数与匹配的spi_device绑定，从而建立完整的驱动链路。
三、Linux SPI 驱动开发实战
理论储备充足后，我们进入实战环节。从设备树配置到驱动编写，再到应用层测试，一步步掌握开发流程。
3.1 设备树配置：SPI 设备的“身份信息”
在现代基于Linux的嵌入式开发中，设备树（Device Tree）是描述硬件配置的标准方式。我们需要在其中准确描述SPI设备的连接和参数。
首先，确保SPI控制器节点已启用。以ZYNQ平台为例：
&spi0 {
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&spi0_pins>;
};
status = "okay"表示启用该控制器，pinctrl-0指定了引脚复用配置。
接着，在控制器节点下添加具体的SPI外设子节点。以连接一个W25Q128 SPI Flash为例：
&spi0 {
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&spi0_pins>;
flash@0 {
compatible = "winbond,w25q128";
spi-max-frequency = <10000000>;
reg = <0>;
spi-mode = <3>;
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
};
};
关键属性解析：
compatible：驱动匹配的关键，必须与驱动中的ID表对应。spi-max-frequency：设置最大通信频率（10MHz）。reg：指定片选号（CS0）。spi-mode：设置工作模式为3（CPOL=1， CPHA=1）。#address-cells 和 #size-cells：用于定义子节点地址和大小的表示方式。
3.2 SPI 设备驱动编写：从注册到数据传输
设备树配置好后，开始编写驱动代码。主要步骤包括：定义驱动结构体、实现probe/remove函数、完成数据传输逻辑。
1. 驱动框架与注册
首先定义一个spi_driver结构体，并实现模块的初始化与退出函数。
#include <linux/module.h>
#include <linux/spi/spi.h>
static const struct spi_device_id spi_device_ids[] = {
{"winbond,w25q128", 0},
{}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(spi, spi_device_ids);
static struct spi_driver spi_device_driver = {
.driver = {
.name = "spi_w25q128_driver",
.owner = THIS_MODULE,
},
.id_table = spi_device_ids,
.probe = spi_device_probe,
.remove = spi_device_remove,
};
static int __init spi_device_driver_init(void){
return spi_register_driver(&spi_device_driver);
}
static void __exit spi_device_driver_exit(void){
spi_unregister_driver(&spi_device_driver);
}
module_init(spi_device_driver_init);
module_exit(spi_device_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
2. probe函数实现
probe函数在驱动与设备匹配成功后调用，负责设备的初始化。
static int spi_device_probe(struct spi_device *spi) {
int ret;
// 分配设备私有数据结构体
struct spi_device_private *priv = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL);
if (!priv)
return -ENOMEM;
spi_set_drvdata(spi, priv);
// 获取并配置设备参数
priv->max_speed_hz = spi->max_speed_hz;
priv->mode = spi->mode;
priv->bits_per_word = spi->bits_per_word;
// 配置通信模式与速率（覆盖设备树设置或进行微调）
spi->mode = SPI_MODE_3;
spi->max_speed_hz = 10000000;
ret = spi_setup(spi);
if (ret) {
dev_err(&spi->dev, "spi setup failed: %d\n", ret);
return ret;
}
dev_info(&spi->dev, "SPI device %s probed successfully\n", spi->modalias);
return 0;
}
3. 同步数据传输
Linux内核使用spi_transfer和spi_message结构体来组织数据传输。以下是一个同步读取的示例：
static ssize_t spi_device_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *off){
struct spi_device *spi = filp->private_data;
struct spi_device_private *priv = spi_get_drvdata(spi);
// 构建SPI传输消息结构体
struct spi_transfer tr = {
.tx_buf = NULL, // 本次传输只读，不发送数据
.rx_buf = priv->rx_buffer,
.len = count,
};
struct spi_message msg;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&tr, &msg);
int ret = spi_sync(spi, &msg);
if (ret) {
dev_err(&spi->dev, "SPI read failed: %d\n", ret);
return ret;
}
// 将读取到的数据从内核缓冲区复制到用户空间
ret = copy_to_user(buf, priv->rx_buffer, count);
if (ret) {
dev_err(&spi->dev, "copy to user failed: %d\n", ret);
return -EFAULT;
}
return count;
}
4. 多transfer合并
有时需要将多个传输合并为一个原子操作（如先发命令再读数据），可以使用一个spi_message链接多个spi_transfer。
static int spi_device_multi_transfer(struct spi_device *spi, const void *tx_buf1, size_t len1, const void *tx_buf2, size_t len2){
struct spi_transfer tr1 = {
.tx_buf = tx_buf1,
.rx_buf = NULL,
.len = len1,
};
struct spi_transfer tr2 = {
.tx_buf = tx_buf2,
.rx_buf = NULL,
.len = len2,
};
struct spi_message msg;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&tr1, &msg);
spi_message_add_tail(&tr2, &msg);
return spi_sync(spi, &msg);
}
3.3 应用层测试
驱动加载后，需要在应用层验证功能。Linux提供了spidev驱动，可以在用户空间直接操作SPI设备，方便测试。
基本流程：打开设备节点→配置参数→执行读写→关闭节点。以下是一个简单的C语言测试程序：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define SPI_DEVICE "/dev/spidev0.0" // 设备节点（总线0，片选0）
int main(){
int fd, ret;
u8 tx_buf[] = {0x03, 0x00, 0x00, 0x00}; // 读取指令+地址（W25Q128）
u8 rx_buf[10] = {0}; // 接收缓冲区
// 1. 打开SPI设备节点
fd = open(SPI_DEVICE, O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("打开设备失败");
return -1;
}
// 2. 配置SPI参数（模式、位宽、频率）
u8 mode = SPI_MODE_3;
u8 bits = 8;
u32 speed = 10000000;
// 配置工作模式
ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);
if (ret < 0) { perror("配置模式失败"); goto err; }
// 配置数据位宽
ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);
if (ret < 0) { perror("配置位宽失败"); goto err; }
// 配置传输频率
ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);
if (ret < 0) { perror("配置频率失败"); goto err; }
// 3. 执行读写传输
struct spi_ioc_transfer tr = {
.tx_buf = (unsigned long)tx_buf,
.rx_buf = (unsigned long)rx_buf,
.len = sizeof(tx_buf),
.speed_hz = speed,
.bits_per_word = bits,
};
ret = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);
if (ret < 0) {
perror("传输失败");
goto err;
}
// 打印接收结果
printf("读取数据：");
for (int i = 0; i < sizeof(rx_buf); i++) {
printf("%02x ", rx_buf[i]);
}
printf("\n");
err:
close(fd);
return ret;
}
将此代码交叉编译后，在开发板上运行，若能正确读取SPI Flash数据，则证明驱动工作正常。
四、SPI 驱动调试排坑宝典
SPI驱动开发中，通信失败是常事。建议遵循“先硬件，后软件”的原则进行排查。
4.1 硬件层面调试
硬件问题是导致通信失败的首要原因。使用示波器观察波形是最直接有效的方法。重点检查四根信号线：
- SCK：测量频率是否与配置值相符。如果频率不对，检查时钟源和分频配置。
- CS：确认通信期间CS信号是否被正确拉低。若未拉低，检查连线或驱动中的片选配置。
- MOSI/MISO：观察数据波形是否正常，是否与SCK同步。波形异常可能是引脚虚焊、短路或工作模式不匹配。
- 其他隐患：
- 检查引脚连接和复用配置是否正确。
- 确保芯片供电电压正常、稳定。曾有案例因某路电源未供电导致通信异常。
- 核对总线上的上拉/下拉电阻配置，确保信号空闲电平稳定。
4.2 软件层面排坑
硬件无误后，重点检查软件配置。
- 核对设备树：确保
compatible、spi-max-frequency、reg（片选号）、spi-mode等属性与硬件原理图及芯片手册完全一致。
- 检查驱动参数：确认驱动中设置的频率、模式、位宽等参数与设备树及设备要求匹配。
- 控制器驱动适配：某些平台的原生SPI控制器驱动在处理多
transfer时可能有bug。如果发现多段传输数据丢失，尝试将其合并为一个spi_transfer（如3.2节所示）往往能解决问题。
4.3 典型问题解决方案
- 读数据全为0：可能是MISO引脚被硬件设置为高阻态。需查阅芯片手册，确认是否需要配置特定引脚来使能MISO功能。
- 写有应答，读无数据：在确认信号波形正常后，应重点检查芯片的每一路电源是否都已正确供电。
- 数据高低位顺序错误：检查驱动中关于数据位序（MSB/LSB first）的配置，确保与通信对方（从设备）的约定一致。
五、Linux SPI 驱动典型应用场景
5.1 嵌入式传感器数据采集
SPI驱动在温度、压力、加速度等传感器采集中应用广泛。例如，MAX6675温度传感器使用SPI接口。驱动需根据其手册配置为Mode 0，并通过spi_transfer发送指令、接收温度数据。在工业自动化和智能家居中，这种实时、可靠的数据采集是系统感知环境的基础。
5.2 SPI 存储设备驱动开发
SPI Flash、EEPROM等存储设备常用作数据或程序存储。其驱动需要实现完整的擦除、读写、查忙等操作。对于固件升级等大数据量操作，结合DMA传输可以极大提升效率，缩短升级时间，增强系统可靠性。这要求开发者不仅要熟悉SPI协议，还要了解具体存储芯片的命令集。
5.3 SPI 屏幕驱动适配
在RK3568/RK3588等嵌入式平台上，适配SPI屏幕（如ST7789等）是常见需求。适配工作包括：在设备树中正确配置SPI控制器引脚和屏幕参数；在驱动中控制显示时序，将帧缓冲区的图像数据通过SPI总线持续发送到屏幕驱动IC；处理好引脚复用功能配置。这涉及对Linux帧缓冲（Framebuffer）子系统和SPI子系统的综合理解。
通过对Linux SPI驱动从基础到架构、从开发到调试、从理论到应用的全方位解析，我们希望为你构建起清晰的知识脉络。驱动开发是一门需要结合计算机体系结构知识、内核原理与硬件理解的实践性技能。多动手、多调试、多查阅文档和社区资料，是提升的最佳路径。如果你在实践中有更多心得或疑问，欢迎在云栈社区与广大开发者交流探讨。
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