Linux: SPI应用编程
目录
- 一、基础知识
- SPI 设备文件:
- SPI 控制结构:
- SPI 系统调用:
- SPI 参数配置:
- 1. 设置 SPI 模式
- 2. 设置 SPI 位宽
- 3. 设置 SPI 速度
- 4. 进行 SPI 数据传输
- 5. ioctl支持的方法汇总
- 二、示例程序
- 示例1：同时读写
- 示例2：先写后读
- 示例3：先读后写
- 示例4：内核源码提供的demo
- 三、知识补充
- “双线”、“四线”和“三线”
- 8位、16位、32位
- 8位、16位等位数与硬件的关系
在 Linux 中，SPI（Serial Peripheral Interface）是一种串行通信协议，用于在主设备（如 CPU）和一个或多个从设备（如传感器、存储器等）之间传输数据。SPI 通信通常通过四个基本信号线进行：时钟（SCLK）、主输出从输入（MOSI）、主输入从输出（MISO）和片选（CS）。
- SCLK（Serial Clock）：由主设备生成的时钟信号。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备。
- MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备。
- CS（Chip Select）：选择具体的从设备。主设备通过拉低某个从设备的 CS 线来激活对应的从设备。
一、基础知识
SPI 设备文件:
- 在 Linux 中，SPI 设备通常表现为 /dev/spidevX.Y 形式的设备文件。
- X 表示 SPI 主机控制器的编号。
- Y 表示SPI 总线上设备的编号。
- 可以通过以下命令检查
/dev/spidev设备：
ls /dev/spidev*
SPI 控制结构:
- 使用 struct spi_ioc_transfer 结构体来描述一次 SPI 传输操作。
- 这个结构体定义了 SPI传输的数据方向、长度和速度等参数。
/**
* struct spi_ioc_transfer - 描述单个 SPI 传输
* @tx_buf: 持有指向用户空间缓冲区的指针，用于传输数据，或者为 null。
* 如果没有提供数据，则发送零值。
* @rx_buf: 持有指向用户空间缓冲区的指针，用于接收数据，或者为 null。
* @len: 发送和接收缓冲区的长度，以字节为单位。
* @speed_hz: 临时覆盖设备的比特率。
* @bits_per_word: 临时覆盖设备的字长。
* @delay_usecs: 如果非零，则在最后一位传输后等待的时间（微秒），然后可选择在下一次传输前取消选
* 择设备。
* @cs_change: 如果为真，则在开始下一次传输之前取消选择设备。
* @word_delay_usecs: 如果非零，单次传输中每个字之间的等待时间（微秒）。此属性需要 SPI 控制器
* 显式支持，否则将被静默忽略。
*
* 这个结构体直接映射到内核的 spi_transfer 结构体；
* 字段具有相同的含义，只不过指针位于不同的地址空间（在某些情况下，例如 32 位 i386 用户空间与
* 64 位 x86_64 内核，可能会有不同的大小）。
* 零初始化结构体，包括当前未使用的字段，以适应潜在的未来更新。
*
* SPI_IOC_MESSAGE 使用户空间能够执行类似于内核 spi_sync() 的操作。
* 传递一个相关传输的数组，它们将一起执行。
* 每个传输可以是半双工（单向）或全双工（双向）。
*
* 例如：
* struct spi_ioc_transfer mesg[4];
* ...
* status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(4), mesg);
*
* 举例来说，一个传输可以发送一个九位命令（在 16 位字中右对齐），下一个传输可以读取一个 8 位数据块，
* 然后通过临时取消选择芯片来结束该命令；下一个传输可以发送另一个九位命令（重新选择芯片），最后一个
* 传输可能会写入一些寄存器值。
*/
struct spi_ioc_transfer {
// 用户空间发送缓冲区指针，用于存储发送数据，若为null，则发送0
__u64 tx_buf;
// 用户空间接收缓冲区指针，用于存储接收数据，若为null，则不接收数据
__u64 rx_buf;
// 发送和接收缓冲区的长度（以字节为单位）
__u32 len;
// 此次传输临时覆盖设备的比特率
__u32 speed_hz;
// 最后一位传输后延迟的时间（微秒），在下一个传输前可选地取消选择设备
__u16 delay_usecs;
// 此次传输临时覆盖设备的字长
__u8 bits_per_word;
// 在开始下一个传输前取消选择设备
__u8 cs_change;
// 发送数据时每个字的位数
__u8 tx_nbits;
// 接收数据时每个字的位数
__u8 rx_nbits;
// 在同一个传输中各字之间延迟的时间（微秒），需要SPI控制器显式支持，否则会被忽略
__u8 word_delay_usecs;
// 填充字段，保持结构体对齐
__u8 pad;
/*
* 如果结构体spi_ioc_transfer的内容发生不兼容的更改，
* 则ioctl编号（当前为0）必须更改；
* 具有固定大小字段的ioctl会进行更多的错误检查，
* 而像这样字段大小可变的ioctl则不会。
*
* 注意：该结构体在64位和32位用户空间中的布局相同。
*/
};
“临时覆盖设备”指的是在单次 SPI 传输过程中，暂时性地改变 SPI 设备的一些配置参数，而不是永久性地修改设备的基本设置。具体来说：
speed_hz：临时覆盖设备的比特率（频率）。这意味着在本次传输过程中，SPI 通信将使用指定的频率，而不是设备默认或之前设置的频率。bits_per_word：临时覆盖设备的字长。这意味着在本次传输过程中，SPI 通信将使用指定的位宽，而不是设备默认或之前设置的位宽。
这些参数允许在不同的 SPI 传输中灵活调整通信参数，而不需要频繁地修改设备的基本配置。这样做可以提高效率，并且更好地适应不同类型的 SPI 传输需求。
delay_usecs 字段表示在最后一次位传输之后的延迟时间（以微秒为单位）。这个延迟时间是在下一个传输开始之前的一个可选等待时间。具体来说：
-
延迟时间：
delay_usecs指定了在最后一个位传输完成后，SPI 控制器需要等待的时间（以微秒为单位）。- 如果
delay_usecs为零，则没有额外的等待时间。 - 如果
delay_usecs不为零，则 SPI 控制器会在最后一个位传输完成后等待指定的时间。
-
取消选择设备：
cs_change字段用于控制是否在下一个传输开始前取消选择设备（即释放片选信号）。- 如果
cs_change为真（1），则在延迟时间结束后，SPI 控制器会取消选择设备。 - 如果
cs_change为假（0），则不会取消选择设备。
示例场景:
假设我们有以下传输序列：
-
第一次传输：
- 发送命令字。
- 接收响应字。
- 设置
delay_usecs为 100 微秒。 - 设置
cs_change为 1。
-
第二次传输：
- 发送新的命令字。
- 接收新的响应字。
- 设置
delay_usecs为 0 微秒。 - 设置
cs_change为 0。
第一次传输过程：
1. 发送命令字。
2. 接收响应字。
3. 等待 100 微秒。
4. 取消选择设备（释放片选信号）。
第二次传输过程：
1. 重新选择设备（激活片选信号）。
2. 发送新的命令字。
3. 接收新的响应字。
4. 不取消选择设备（保持片选信号激活状态）。
通过这种方式，可以在不同的传输之间引入必要的延迟，并根据需要选择或取消选择设备，从而实现更复杂的 SPI 通信逻辑。
SPI 系统调用:
使用标准的文件 I/O 操作（如 open(), read(), write() 和 ioctl()）来控制 SPI 设备。
特别地，ioctl() 常用于设置 SPI 参数和发起数据传输。
SPI 参数配置:
可以通过 ioctl() 调用来设置 SPI 速度、模式等参数。部分示例如下：
1. 设置 SPI 模式
SPI 模式（Mode）定义了 SPI 设备如何同步数据传输。共有四种模式：
- Mode 0: CPOL=0, CPHA=0
- Mode 1: CPOL=0, CPHA=1
- Mode 2: CPOL=1, CPHA=0
- Mode 3: CPOL=1, CPHA=1
使用 SPI_IOC_WR_MODE 来设置 SPI 模式，使用 SPI_IOC_RD_MODE 来读取当前模式。
#include 2. 设置 SPI 位宽
SPI 位宽（Bits per Word）定义了每次传输的数据位数。使用 SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD 来设置位宽，使用 SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD 来读取当前位宽。
// 设置 SPI 位宽
uint8_t bits = 8;
if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits) < 0) {
perror("Failed to set bits per word");
return -1;
}
// 读取 SPI 位宽
if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &bits) < 0) {
perror("Failed to get bits per word");
return -1;
}
3. 设置 SPI 速度
SPI 速度（Speed）定义了数据传输的速率。使用 SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ 来设置速度，使用 SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ 来读取当前速度。
// 设置 SPI 速度
uint32_t speed = 500000;
if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0) {
perror("Failed to set max speed Hz");
return -1;
}
// 读取 SPI 速度
if (ioctl(fd, SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0) {
perror("Failed to get max speed Hz");
return -1;
}
4. 进行 SPI 数据传输
数据传输是通过 spi_ioc_transfer 结构体完成的。你可以使用 SPI_IOC_MESSAGE(n) 来发送和接收数据，其中 n 是传输的消息数量。
#include 当你使用 SPI_IOC_MESSAGE(1) 时，表示你将执行一个 SPI 消息传输，而 SPI_IOC_MESSAGE(2) 则表示你将连续执行两个 SPI 消息传输。
SPI_IOC_MESSAGE(1):
- 功能：执行一个 SPI 消息传输。
- 使用场景：当你只需要进行一次读写操作时，可以使用这个命令。
- 示例：你已经有了一个定义好的
spi_ioc_transfer结构体，其中包含了发送和接收缓冲区的地址、传输长度、传输速度等参数。通过SPI_IOC_MESSAGE(1)，你可以将这个结构体传递给 SPI 驱动，从而完成一次 SPI 传输。
SPI_IOC_MESSAGE(2):
- 功能：连续执行两个 SPI 消息传输。
- 使用场景：当你需要连续进行两次读写操作时，可以使用这个命令。这可以用于一些特殊的 SPI 通信协议，或者在需要发送多个命令/数据对时提高效率。
- 示例：你有两个
spi_ioc_transfer结构体，每个都定义了一个 SPI 传输。通过SPI_IOC_MESSAGE(2)，你可以将这两个结构体作为一个数组传递给 SPI 驱动，从而连续完成两次 SPI 传输。
区别与注意事项:
- 效率：使用
SPI_IOC_MESSAGE(2)进行连续两次传输可能比分别使用两次SPI_IOC_MESSAGE(1)更高效，因为它减少了与内核空间的交互次数。 - 复杂性：使用
SPI_IOC_MESSAGE(2)可能会稍微增加代码的复杂性，因为你需要管理两个spi_ioc_transfer结构体而不是一个。 - 灵活性：虽然
SPI_IOC_MESSAGE(2)提供了连续传输的便利，但如果你需要在两次传输之间执行其他操作（如检查状态、处理数据等），则可能需要使用两次
SPI_IOC_MESSAGE(1)。
硬件支持：并非所有的 SPI 硬件都支持连续的多消息传输。在使用SPI_IOC_MESSAGE(2)之前，你需要确认你的硬件和驱动支持这种操作模式。
5. ioctl支持的方法汇总
// 定义SPI_IOC_MESSAGE宏，用于SPI设备的I/O控制操作，以发送和接收SPI协议数据
#define SPI_IOC_MESSAGE(N) _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 0, char[SPI_MSGSIZE(N)])
/* 以下定义用于读取和设置SPI工作模式（SPI_MODE_0到SPI_MODE_3，共8位） */
#define SPI_IOC_RD_MODE _IOR(SPI_IOC_MAGIC, 1, __u8) // 读取SPI工作模式
#define SPI_IOC_WR_MODE _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 1, __u8) // 设置SPI工作模式
/* 以下定义用于读取和设置SPI的位顺序（最小有效位或最大有效位先传输） */
#define SPI_IOC_RD_LSB_FIRST _IOR(SPI_IOC_MAGIC, 2, __u8) // 读取SPI位顺序
#define SPI_IOC_WR_LSB_FIRST _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 2, __u8) // 设置SPI位顺序
/* 以下定义用于读取和设置SPI设备的字长（每个字的数据位数，范围1到N） */
#define SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD _IOR(SPI_IOC_MAGIC, 3, __u8) // 读取SPI设备字长
#define SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 3, __u8) // 设置SPI设备字长
/* 以下定义用于读取和设置SPI设备的默认最大传输速率（以Hz为单位） */
#define SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ _IOR(SPI_IOC_MAGIC, 4, __u32) // 读取SPI设备最大传输速率
#define SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 4, __u32) // 设置SPI设备最大传输速率
/* 以下定义用于读取和设置SPI模式字段的32位值，用于更复杂的配置需求 */
#define SPI_IOC_RD_MODE32 _IOR(SPI_IOC_MAGIC, 5, __u32) // 读取SPI模式字段（32位）
#define SPI_IOC_WR_MODE32 _IOW(SPI_IOC_MAGIC, 5, __u32) // 设置SPI模式字段（32位）
二、示例程序
示例1：同时读写
使用 C 语言编写用户空间程序来与 SPI 设备通信。以下是一个简单的 SPI 通信示例程序：
#include 保存代码为 spi_example.c，然后使用以下命令编译：
gcc spi_example.c -o spi_example
然后运行编译后的程序：
./spi_example
示例2：先写后读
#include 示例3：先读后写
#include 示例4：内核源码提供的demo
// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include 三、知识补充
“双线”、“四线”和“三线”
在SPI (Serial Peripheral Interface) 通信中，“双线”、“四线”和“三线”指的是数据传输方式的不同变体：
- 双线 (Dual SPI):
- 在双线模式下，SPI 设备可以同时通过两条数据线进行数据传输。
- 通常情况下，一条数据线用于发送数据 (MOSI), 另一条用于接收数据 (MISO)。
- 在双线模式中，除了标准的 MOSI 和 MISO 外，还会额外使用一条数据线来增加数据吞吐量。
- 例如，在读操作中，一条数据线用于发送地址或命令，另一条数据线用于接收数据；而在写操作中，两条数据线都用于发送数据。
- 四线 (Quad SPI):
- 四线模式进一步扩展了数据传输能力，使用四条数据线进行数据传输。
- 这种模式可以在单次时钟周期内传输更多的数据，从而显著提高数据传输速率。
- 例如，在读操作中，三条数据线用于发送地址或命令，第四条数据线用于接收数据；而在写操作中，四条数据线都用于发送数据。
- 三线 (Three-Wire SPI):
- 三线SPI是一种特殊的SPI模式，它减少了所需的信号线数量，仅使用三条信号线：SCK (串行时钟)、MOSI (主出从入) 和 CS (片选)。
- 在这种模式下，MISO (主入从出) 信号线被省略了。
- 通常用于不需要双向数据流的应用场景，比如只读或只写的存储器芯片。
这些不同的数据传输方式提供了不同的性能和成本权衡，可以根据具体的应用需求选择最合适的传输模式。
8位、16位、32位
当提到 SPI 的 8 位、16 位或 32 位时，这指的是 SPI 数据帧的大小，即每次传输的数据量。具体来说，这些术语指的是 SPI 通信中数据字的长度。例如，8 位 SPI 表示每次传输 8 位数据；16 位 SPI 表示每次传输 16 位数据；而 32 位 SPI 则表示每次传输 32 位数据。
SPI 数据帧大小的意义：
数据宽度：决定了每次 SPI 事务中传输的数据量。兼容性：不同的设备可能支持不同的数据宽度，因此选择正确的数据宽度对于确保设备间的正确通信至关重要。性能：更宽的数据帧可以提高数据传输速率，但这也取决于设备的能力和 SPI 总线的最大频率。
位数与接线的关系：SPI的接线并不直接与数据帧的大小有关。
SPI 通信通常使用以下四条线：SCK (Serial Clock)、MOSI (Master Out Slave In)、MISO (Master In Slave Out)和SS (Slave Select)。
这些线路不论是在 8 位、16 位还是 32 位 SPI 中都是相同的。数据帧的大小通过软件配置来确定，而不是通过硬件接线。这些设置不会影响 SPI 的物理接线。
8位、16位等位数与硬件的关系
-
硬件支持：
- 不同的 SPI 控制器硬件可能支持不同的数据位数。例如，一些控制器可能仅支持 8 位数据帧，而其他高级控制器则可能支持 8 位、16 位甚至 32 位数据帧。
-
寄存器配置：
- 在硬件层面上，SPI 控制器通常会有一些寄存器用来配置数据帧的位数。例如，在 STM32 微控制器中，SPI 控制寄存器 SPI_CR1 中的 DFF 位（Data Frame Format）可以用来选择数据帧是 8 位还是 16 位。
-
时钟管理：
- 数据帧的位数会影响 SPI 时钟的管理。例如，如果选择了 16 位数据帧，那么 SPI 时钟将在 16 个时钟周期内完成一次数据传输。
示例：STM32 的 SPI 控制器
在 STM32 微控制器中，SPI 控制器支持 8 位或 16 位的数据帧，并且可以通过 SPI
控制寄存器.
SPI_CR1 中的 DFF 位进行配置：
如果 DFF 位被清零（0），则数据帧长度为 8 位。
如果 DFF 位被置位（1），则数据帧长度为 16 位。
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