深入ARM平台SPI驱动开发：从硬件到应用的完整实践
在嵌入式系统的世界里，外设通信是连接物理世界与数字逻辑的桥梁。而在这座桥上，SPI（Serial Peripheral Interface）是一条高速、稳定、广泛应用的主干道。
尤其是在基于ARM架构的处理器中——无论是NXP i.MX、Allwinner、Rockchip，还是树莓派所用的Broadcom SoC——SPI控制器几乎无处不在。它被用来读取温度传感器、驱动OLED屏幕、烧录Flash芯片、采集ADC数据……可以说，只要涉及“快速串行通信”，SPI往往是首选方案。
但问题也随之而来：
为什么我的SPI设备识别不到？
数据总是乱码？
CPU占用率高得离谱？
明明代码没问题，插拔后却无法重连？
这些问题的背后，往往不是简单的“接线错误”或“频率设太高”，而是对SPI控制器机制、Linux内核子系统设计和设备树配置逻辑缺乏系统理解。
本文将以一个真实工程视角，带你走完一次完整的ARM平台上SPI设备驱动开发全流程。不堆术语，不照搬手册，只讲你真正需要知道的东西。
一、先搞清楚：我们到底在跟谁打交道？
当你写一段SPI通信代码时，你以为你在操控一根根导线，实际上你面对的是四层协同工作的复杂体系：
[用户空间应用] ↓ [内核 SPI 驱动] → 处理协议、提供接口 ↓ [Linux SPI 子系统] → 调度消息、管理总线 ↓ [SPI 主机驱动] → 操作寄存器、启动DMA ↓ [SoC上的SPI控制器] → 真正发出SCLK、移位数据 ↓ [物理线路] → 连接到外部芯片（如传感器）很多开发者卡住的地方，其实是没分清每一层该做什么。比如：
- 应该由设备树配置的参数，却硬编码在驱动里；
- 应该由主机驱动处理的中断，却让应用层轮询；
- 明明支持DMA，结果还在用spi_sync做大量数据搬运……
所以，第一步不是写代码，而是厘清结构。
二、SPI控制器：硬件层面的核心引擎
它是什么？
你可以把SPI控制器看作是一个“自动化打字机”。你给它一段文字（待发送的数据），设定好节奏（时钟频率）、起始信号（片选）、翻页方式（CPOL/CPHA），然后按下开始按钮，它就会自动一位一位地输出，并同时记录对方回应的内容。
这个模块通常集成在ARM芯片内部，通过内存映射寄存器暴露给软件访问。常见的控制寄存器包括：
| 寄存器 | 功能 |
|---|---|
CONR/CR | 控制模式、使能、主从选择 |
BRR/SPBR | 波特率分频设置 |
TXDR/RXDR | 发送/接收数据寄存器 |
SR/ISR | 状态标志（完成、错误、空满等） |
不同厂商命名不同，但功能大同小异。
关键特性一览
| 特性 | 典型值/说明 |
|---|---|
| 最高时钟频率 | 50MHz（i.MX6ULL可达75MHz） |
| 支持模式 | Mode 0~3（CPOL=0/1, CPHA=0/1） |
| 数据宽度 | 8/16/32位可配 |
| 片选方式 | 硬件CS或多路GPIO模拟 |
| DMA支持 | 多数现代SoC均配备专用通道 |
| FIFO深度 | 常见为16~64字节，减少中断次数 |
⚠️ 注意：虽然理论速率可达50Mbps以上，但实际受限于PCB布线、负载电容、从设备响应速度等因素，建议首次调试时从1MHz起步。
为什么不用软件模拟SPI？
有些人会问：“我能不能直接用GPIO翻转来实现SPI？”
可以，但这叫Bit-banging，属于不得已而为之的做法。
| 对比项 | 硬件SPI | 软件SPI |
|---|---|---|
| 速率 | ✅ 数十MHz | ❌ <1MHz（受GPIO响应限制） |
| CPU占用 | ✅ 极低（DMA下接近0%） | ❌ 高（需密集循环或高频中断） |
| 实时性 | ✅ 强（固定时序） | ❌ 弱（易被调度打断） |
| 功耗 | ✅ 低 | ❌ 高 |
| 可靠性 | ✅ 支持校验、自动重试 | ❌ 完全依赖程序员 |
结论很明确：只要硬件支持，就绝不用软件模拟。
三、Linux SPI子系统：让驱动开发变得简单
如果说SPI控制器是发动机，那么Linux SPI子系统就是整车的传动系统 + 控制系统。它的存在，使得我们可以用统一的方式操作不同的SPI设备，而不必关心底层是哪家厂商的控制器。
核心组件三剑客
1.spi_master—— 总线管理者
代表一个SPI主机控制器。它由主机驱动创建并注册，负责管理挂载在其上的所有设备。
struct spi_master *master; master = spi_alloc_master(&pdev->dev, sizeof(struct my_spi_data)); if (!master) return -ENOMEM; master->bus_num = 1; // 对应 /dev/spidev1.x master->num_chipselect = 2; // 支持两个片选 master->setup = my_spi_setup; // 配置函数 master->transfer_one = my_transfer_one; // 单次传输函数一旦调用spi_register_master(master)，这条SPI总线就在系统中“上线”了。
2.spi_device—— 外设实例
每个连接到SPI总线的从设备都会生成一个spi_device结构体。它的信息来源于设备树。
例如，你在设备树中声明了一个温湿度传感器，内核就会自动为你创建对应的spi_device实例，并尝试匹配驱动。
3.spi_driver—— 我们要写的部分
这才是我们要动手写的驱动逻辑。典型的结构如下：
static struct spi_driver sensor_spi_driver = { .driver = { .name = "temp_sensor", .of_match_table = of_match_ptr(sensor_of_match), .owner = THIS_MODULE, }, .probe = sensor_probe, .remove = sensor_remove, };当设备树中的.compatible字段与驱动匹配成功时，probe()函数就会被调用。
数据怎么传？两条路任你选
同步传输：spi_sync()
适合小数据量、阻塞式操作，比如读取一次状态寄存器。
struct spi_message msg; struct spi_transfer xfer; spi_message_init(&msg); memset(&xfer, 0, sizeof(xfer)); xfer.tx_buf = cmd; xfer.rx_buf = result; xfer.len = 3; spi_message_add_tail(&xfer, &msg); spi_sync(spi_dev, &msg); // 阻塞直到完成简单直观，但会卡住当前线程。
异步传输：spi_async()
适用于大数据流或实时性要求高的场景，配合回调函数使用。
msg.complete = transfer_complete_callback; msg.context = priv_data; spi_async(spi_dev, &msg); // 立即返回，完成后调用callback结合工作队列或tasklet，可实现高效非阻塞通信。
四、设备树配置：别再硬编码了！
这是很多初学者最容易犯错的地方：把片选引脚、最大频率、工作模式全都写死在驱动里。
正确的做法是：交给设备树。
举个真实例子
假设你有一个SPI接口的气压计BMP280接在SPI1上，使用CS0，最高运行在1MHz，采用Mode 0。
设备树这么写：
&spi1 { status = "okay"; pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&pinctrl_spi1_default>; bmp280@0 { compatible = "bosch,bmp280"; reg = <0>; /* 片选索引 */ spi-max-frequency = <1000000>; /* 1MHz */ interrupts = <IRQ_TYPE_EDGE_RISING>; }; };就这么几行，完成了：
- 启用SPI1控制器；
- 定义一个设备节点；
- 指定片选、频率、中断类型；
- 最关键的是：.compatible = “bosch,bmp280”—— 这是驱动能否加载的关键！
如果你的驱动中有如下定义：
static const struct of_device_id sensor_of_match[] = { { .compatible = "bosch,bmp280" }, { } };那恭喜你，probe()函数马上就能执行了。
常见坑点提醒
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| “No matching driver found” | .compatible不一致 | 检查拼写、大小写、是否加了module alias |
| “spi_setup failed” | 参数超出范围 | 查看控制器支持的最大频率、模式 |
| 设备能识别但通信失败 | CS引脚冲突或未启用 | 使用cs-gpios指定GPIO片选 |
| 多设备共用总线干扰 | CS释放延迟不够 | 添加.cs_change_delay或使用buffer隔离 |
🛠️ 调试建议：用
dmesg | grep spi查看内核日志，观察设备是否注册、驱动是否绑定、setup是否成功。
五、实战案例：读取MAX6675热电偶模块
让我们动手做一个真实的小项目：通过SPI读取K型热电偶的温度值。
硬件连接
| MCU引脚 | MAX6675引脚 |
|---|---|
| SCLK | SCK |
| MOSI | —— |
| MISO | SO |
| CS | CS |
| GND | GND |
| VCC | VCC (3.3V) |
注意：这是一个只读设备，所以我们只需要接收2字节数据即可。
驱动核心逻辑
static int max6675_read_temp(struct spi_device *spi, int *temp) { u8 rx_buf[2]; struct spi_transfer xfer = { .rx_buf = rx_buf, .len = 2, .speed_hz = 4000000, // 最高4MHz .bits_per_word = 8, }; struct spi_message msg; spi_message_init(&msg); spi_message_add_tail(&xfer, &msg); int ret = spi_sync(spi, &msg); if (ret < 0) return ret; // 解析数据：高位在前，bit[15:3]为温度值（13位） if (rx_buf[0] & 0x01) { // D2应为0，否则故障 dev_err(&spi->dev, "Thermocouple not connected\n"); return -EIO; } *temp = (((u16)rx_buf[0]) << 8 | rx_buf[1]) >> 3; *temp *= 0.25; // 每LSB代表0.25°C return 0; }probe函数中做了什么？
static int max6675_probe(struct spi_device *spi) { struct max6675_data *data; spi->bits_per_word = 8; spi->max_speed_hz = 4000000; spi->mode = SPI_MODE0; if (spi_setup(spi) < 0) { dev_err(&spi->dev, "Failed to setup SPI\n"); return -EINVAL; } data = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL); if (!data) return -ENOMEM; spi_set_drvdata(spi, data); // 创建sysfs接口供用户读取 device_create_file(&spi->dev, &dev_attr_temperature); dev_info(&spi->dev, "MAX6675 sensor initialized\n"); return 0; }这样，用户就可以通过/sys/devices/.../temperature直接查看温度值了。
六、性能优化与调试技巧
如何降低CPU占用？
如果你发现SPI传输时CPU飙到30%以上，说明你还停留在“原始社会”。
现代SoC都支持DMA传输。开启DMA后，数据搬运由DMA控制器完成，CPU只需发个指令就开始干活。
如何启用？
- 在主机驱动中配置DMA通道；
- 使用spi_controller_dma相关API；
- 或者直接使用厂商提供的SDK驱动（如imx-spi.c已内置DMA支持）。
效果对比：
- 轮询模式：传输1KB数据 → CPU占用 >20%
- DMA模式：传输1MB数据 → CPU占用 <1%
调试神器组合拳
debugfs查看总线状态bash mount -t debugfs none /sys/kernel/debug cat /sys/kernel/debug/spi/spi_master/spi1/statusspidev_test工具测试通断bash ./spidev_test -D /dev/spidev1.0 -s 1000000示波器抓波形（终极手段）
- 观察SCLK是否正常；
- CS是否有抖动或粘连；
- MISO数据是否与时钟同步；
- 是否存在过冲、振铃等信号完整性问题。
💡 经验之谈：90%的通信失败问题，都能通过示波器一眼定位。
七、工业级设计考量
在消费类产品中，SPI可能只是“能用就行”；但在工业控制、车载、医疗等领域，必须考虑以下因素：
1. EMC抗干扰设计
- PCB走线尽量短，远离高频信号；
- 加0.1μF去耦电容靠近电源引脚；
- 必要时使用磁珠隔离；
- 高速长距离传输考虑使用LVDS-SPI或RS-485转SPI中继器。
2. 热插拔与故障恢复
有些设备需要支持带电插拔。此时要注意：
- 在remove()中正确释放资源；
- 使用completion机制等待正在进行的传输结束；
- 提供ioctl重启接口，避免重新加载模块。
3. Runtime PM节能
对于电池供电设备，空闲时关闭SPI时钟至关重要。
static int sensor_suspend(struct device *dev) { pm_runtime_put_sync(dev); return 0; } static int sensor_resume(struct device *dev) { pm_runtime_get_sync(dev); return 0; } static const struct dev_pm_ops sensor_pm_ops = { .suspend = sensor_suspend, .resume = sensor_resume, };配合设备树中的power-domains设置，可实现毫安级待机功耗。
写在最后：SPI不只是“发几个字节”
很多人觉得SPI很简单：发命令、收数据、解析就行了。但真正的嵌入式工程师知道，稳定性、可维护性、可移植性和性能优化才是难点所在。
掌握这套基于ARM + Linux的SPI驱动开发体系，意味着你能：
- 快速适配各类SPI传感器、存储器、显示屏；
- 构建模块化、可复用的驱动框架；
- 在产品出问题时迅速定位软硬件瓶颈；
- 为后续引入QSPI、OSPI、HyperBus等高速接口打下基础。
下次当你接到“接入一个新的SPI设备”任务时，不要再盲目抄代码了。停下来想一想：
- 它的工作模式是什么？
- 设备树该怎么写？
- 用同步还是异步？
- 是否值得上DMA？
- 如何保证长期运行不出问题？
这才是高手和码农的区别。
如果你正在开发一块基于ARM的新板子，不妨现在就打开设备树文件，试着添加一个SPI设备节点。哪怕只是一个回环测试，也是迈向专业之路的第一步。
欢迎在评论区分享你的SPI踩坑经历，我们一起排雷。
