02-SPI驱动开发.md 32 KB
title: SPI驱动开发 tags: [Linux驱动, SPI, 嵌入式, I.MX6ULL, 总线驱动] created: 2026-09-16 updated: 2026-09-17
pdf_ref: "68_第六十二章 Linux SPI驱动实验"
SPI驱动开发
关联知识: [[01-I2C驱动开发]] | [[03-Linux驱动开发核心/07-platform驱动模型]]
一、SPI协议概述
1.1 SPI总线原理
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的通信总线，由摩托罗拉公司提出。SPI采用主从架构，一个主设备可以挂载多个从设备，通过独立的片选信号（CS）选择通信对象。
SPI总线由四根信号线组成：
| 信号线 | 全称 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|---|
| SCLK | Serial Clock | 主→从 | 时钟信号，由主设备产生 |
| MOSI | Master Out Slave In | 主→从 | 主设备发送，从设备接收 |
| MISO | Master In Slave Out | 从→主 | 从设备发送，主设备接收 |
| CS/SS | Chip Select | 主→从 | 片选信号，低电平有效 |
SPI vs I2C: SPI使用4根线（I2C只需2根），但SPI速度更快（可达数十MHz），且为全双工通信。I2C支持多主多从（通过地址寻址），SPI则通过硬件CS线选择从设备。
1.2 SPI工作模式
SPI有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时SCLK | 数据采样时刻 |
|---|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿采样 |
| Mode 1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿采样 |
| Mode 2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿采样 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿采样 |
- CPOL=0: SCLK空闲时为低电平；CPOL=1: SCLK空闲时为高电平
- CPHA=0: 在SCLK第一个跳变沿采样数据；CPHA=1: 在SCLK第二个跳变沿采样数据
大多数SPI从设备支持多种模式，具体使用哪种模式需查阅设备数据手册。ICM20608支持Mode 0和Mode 3。
1.3 SPI传输格式
SPI是全双工通信，每次传输时主从设备同时发送和接收数据。发送和接收的字节数相同，由SCLK时钟数决定。
时序示意图 (Mode 0: CPOL=0, CPHA=0):
SCLK: _|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_
MOSI: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
MISO: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
CS: ‾‾‾|___________________________|‾‾‾
SPI传输数据时通常MSB（最高有效位）在前。SPI协议本身没有定义设备寻址机制，通过硬件CS线选择从设备，因此每增加一个从设备就需要一根CS线。
二、Linux SPI架构
2.1 SPI子系统架构
flowchart TD
subgraph user_space["用户空间"]
app["应用程序\nread/write/ioctl"]
end
subgraph kernel_space["Linux内核"]
subgraph device_driver["SPI设备驱动层"]
spi_drv["spi_driver\n(设备驱动程序)"]
end
subgraph core["SPI核心层"]
core_api["SPI核心API\n(spi_sync/spi_write/spi_read)"]
end
subgraph controller["SPI控制器驱动层"]
spi_master["spi_master\n(硬件控制器驱动)"]
end
end
subgraph hardware["硬件层"]
spi_bus["SPI总线\n(SCLK+MOSI+MISO+CS)"]
spi_dev["SPI设备\n(ICM20608/W25Qxx等)"]
end
app -->|"read()/write()"| spi_drv
spi_drv -->|"spi_transfer/spi_message"| core_api
core_api -->|"transfer()"| spi_master
spi_master -->|"寄存器操作"| spi_bus
spi_bus <-->|"全双工通信"| spi_dev
2.2 SPI控制器驱动 vs SPI设备驱动
Linux SPI子系统分为两层驱动：
| 层次 | 说明 | 开发者 | 核心结构体 |
|---|---|---|---|
| SPI控制器驱动 | 控制SOC内部SPI硬件控制器，负责实际的数据收发 | SOC厂商 | spi_master |
| SPI设备驱动 | 挂载在SPI总线上的具体设备驱动，实现设备特定逻辑 | 用户编写 | spi_driver |
SPI控制器驱动一般由SOC厂商编写好（如I.MX6ULL的spi-imx.c），用户只需编写SPI设备驱动。这与I2C子系统中适配器驱动和设备驱动的关系完全一致。
2.3 核心数据结构
spi_master（SPI控制器）
struct spi_master {
struct device dev;
struct list_head list;
s16 bus_num; /* SPI总线编号 */
u16 num_chipselect; /* 片选信号数量 */
u16 dma_alignment; /* DMA对齐要求 */
u16 mode_bits; /* 支持的SPI模式位 */
u32 bits_per_word_mask; /* 支持的位宽掩码 */
u32 min_speed_hz; /* 最低传输速率 */
u32 max_speed_hz; /* 最高传输速率 */
u16 flags;
spinlock_t bus_lock_spinlock;
struct mutex bus_lock_mutex;
bool bus_lock_flag;
int (*setup)(struct spi_device *spi); /* 配置SPI设备 */
int (*transfer)(struct spi_device *spi,
struct spi_message *mesg); /* 数据传输函数 */
int (*transfer_one_message)(struct spi_master *master,
struct spi_message *mesg); /* 单消息传输 */
};
spi_driver（SPI设备驱动）
struct spi_driver {
const struct spi_device_id *id_table; /* 传统匹配表 */
int (*probe)(struct spi_device *spi); /* 匹配成功后执行 */
int (*remove)(struct spi_device *spi); /* 驱动卸载时执行 */
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
struct device_driver driver;
};
spi_device（SPI设备）
struct spi_device {
struct spi_master *master; /* 所属的SPI控制器 */
u32 max_speed_hz; /* 最大时钟频率 */
u8 chip_select; /* 片选号 */
u8 mode; /* SPI模式 */
/* ... */
};
spi_transfer（SPI传输描述）
struct spi_transfer {
const void *tx_buf; /* 发送缓冲区 */
void *rx_buf; /* 接收缓冲区 */
unsigned len; /* 数据长度（全双工，收发长度相同） */
dma_addr_t tx_dma; /* DMA发送地址 */
dma_addr_t rx_dma; /* DMA接收地址 */
unsigned cs_change:1; /* 传输完成后是否改变CS状态 */
unsigned tx_nbits:3; /* 发送位宽（1/2/4线） */
unsigned rx_nbits:3; /* 接收位宽（1/2/4线） */
#define SPI_NBITS_SINGLE 0x01 /* 1bit传输 */
#define SPI_NBITS_DUAL 0x02 /* 2bits传输 */
#define SPI_NBITS_QUAD 0x04 /* 4bits传输 */
u8 bits_per_word; /* 每字传输位数 */
u16 delay_usecs; /* 传输间延时（微秒） */
u32 speed_hz; /* 传输时钟频率 */
struct list_head transfer_list;
};
spi_message（SPI消息）
struct spi_message {
struct list_head transfers; /* spi_transfer链表 */
struct spi_device *spi; /* 目标SPI设备 */
unsigned is_dma_mapped:1;
void (*complete)(void *context); /* 异步完成回调 */
void *context;
unsigned frame_length; /* 帧长度 */
unsigned actual_length; /* 实际传输长度 */
int status; /* 传输状态 */
struct list_head queue;
void *state;
};
数据结构关系: spi_transfer 通过链表组织成 spi_message，spi_message 绑定到 spi_device，而 spi_device 属于某个 spi_master。
三、SPI设备树配置
3.1 节点格式
SPI设备信息通过设备树节点描述。SPI设备节点挂在对应的SPI控制器节点下。
flowchart LR
subgraph dts["设备树结构"]
ecspi3["ecspi3: ecspi@02010000\n(SPI控制器节点)"]
icm["icm20608@0\n(子节点: 设备信息)"]
end
ecspi3 --> icm
3.2 关键属性说明
| 属性 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
compatible |
匹配驱动的兼容字符串 | "alientek,icm20608" |
reg |
片选通道号（CS号） | <0> 表示CS0 |
spi-max-frequency |
SPI最大时钟频率 | <8000000> 即8MHz |
fsl,spi-num-chipselects |
片选信号数量 | <1> |
cs-gpios |
片选GPIO定义 | <&gpio1 20 GPIO_ACTIVE_LOW> |
pinctrl-names |
IO配置名称 | "default" |
pinctrl-0 |
对应pinctrl节点 | <&pinctrl_ecspi3> |
3.3 完整设备树示例（I.MX6ULL + ICM20608）
/* I.MX6ULL设备树头文件中的ecspi3控制器节点 */
ecspi3: ecspi@02010000 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
compatible = "fsl,imx6ul-ecspi", "fsl,imx51-ecspi";
reg = <0x02010000 0x4000>;
interrupts = <GIC_SPI 33 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
clocks = <&clks IMX6UL_CLK_ECSPI3>,
<&clks IMX6UL_CLK_ECSPI3>;
clock-names = "ipg", "per";
dmas = <&sdma 7 7 1>, <&sdma 8 7 2>;
dma-names = "rx", "tx";
status = "disabled";
};
/* 在板级dts文件中追加ICM20608设备节点 */
&ecspi3 {
fsl,spi-num-chipselects = <1>; /* 片选数量: 1 */
cs-gpios = <&gpio1 20 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* CS: GPIO1_IO20 */
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_ecspi3>; /* IO配置 */
status = "okay"; /* 使能ecspi3 */
spidev: icm20608@0 { /* @0: 挂在CS0 */
compatible = "alientek,icm20608"; /* 匹配驱动 */
spi-max-frequency = <8000000>; /* 最大8MHz */
reg = <0>; /* CS通道号 */
};
};
/* IO引脚配置 */
&iomuxc {
pinctrl_ecspi3: icm20608 {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_UART2_TX_DATA__GPIO1_IO20 0x10b0 /* CS */
MX6UL_PAD_UART2_RX_DATA__ECSPI3_SCLK 0x10b1 /* SCLK */
MX6UL_PAD_UART2_RTS_B__ECSPI3_MISO 0x10b1 /* MISO */
MX6UL_PAD_UART2_CTS_B__ECSPI3_MOSI 0x10b1 /* MOSI */
>;
};
};
注意: 片选信号UART2_TX_DATA被复用为普通GPIO1_IO20，而非ECSPI3的SS0，因为需要软件控制片选信号。
四、SPI驱动API
4.1 驱动注册与注销
#include <linux/spi/spi.h>
/* 注册SPI设备驱动 - 成功返回0 */
int spi_register_driver(struct spi_driver *sdrv);
/* 注销SPI设备驱动 - 无返回值 */
void spi_unregister_driver(struct spi_driver *sdrv);
/* 注册SPI控制器 - 成功返回0 */
int spi_register_master(struct spi_master *master);
/* 注销SPI控制器 - 无返回值 */
void spi_unregister_master(struct spi_master *master);
/* 申请spi_master */
struct spi_master *spi_alloc_master(struct device *dev, unsigned size);
/* 释放spi_master */
void spi_master_put(struct spi_master *master);
4.2 数据传输API
| 函数 | 说明 | 阻塞 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
spi_sync() |
同步传输，等待完成 | 是 | 通用，最常用 |
spi_write() |
发送数据 | 是 | 只需发送 |
spi_read() |
接收数据 | 是 | 只需接收 |
spi_write_then_read() |
先发后收 | 是 | 典型的寄存器读写 |
spi_async() |
异步传输 | 否 | 高性能场景 |
4.3 核心API详解
/* 初始化spi_message */
void spi_message_init(struct spi_message *m);
/* 将spi_transfer添加到spi_message队列尾部 */
void spi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m);
/* 同步传输 - 阻塞等待SPI传输完成 */
int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message);
/* 简单发送 - 发送len个字节 */
int spi_write(struct spi_device *spi, const u8 *buf, size_t len);
/* 简单接收 - 接收len个字节 */
int spi_read(struct spi_device *spi, u8 *buf, size_t len);
/* 先发后收 - 典型寄存器读操作 */
int spi_write_then_read(struct spi_device *spi,
const u8 *txbuf, unsigned n_tx,
u8 *rxbuf, unsigned n_rx);
/* 配置SPI设备 - 设置mode、speed等 */
int spi_setup(struct spi_device *spi);
4.4 SPI数据传输步骤
- 申请并初始化
spi_transfer，设置tx_buf（发送数据）、rx_buf（接收缓冲区）、len（数据长度） - 使用
spi_message_init()初始化spi_message - 使用
spi_message_add_tail()将spi_transfer添加到spi_message队列 - 使用
spi_sync()完成SPI数据同步传输
4.5 常用数据读写封装
/* SPI多字节发送 */
static int spi_send(struct spi_device *spi, u8 *buf, int len)
{
int ret;
struct spi_message m;
struct spi_transfer t = {
.tx_buf = buf,
.len = len,
};
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(&t, &m);
ret = spi_sync(spi, &m);
return ret;
}
/* SPI多字节接收 */
static int spi_receive(struct spi_device *spi, u8 *buf, int len)
{
int ret;
struct spi_message m;
struct spi_transfer t = {
.rx_buf = buf,
.len = len,
};
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(&t, &m);
ret = spi_sync(spi, &m);
return ret;
}
五、完整源码分析
5.1 ICM20608寄存器定义头文件
/* icm20608reg.h - ICM20608寄存器地址 */
#ifndef ICM20608_H
#define ICM20608_H
#define ICM20608G_ID 0xAF /* ICM20608G ID值 */
#define ICM20608D_ID 0xAE /* ICM20608D ID值 */
/* 电源管理 */
#define ICM20_PWR_MGMT_1 0x6B
#define ICM20_PWR_MGMT_2 0x6C
/* 采样率分频 */
#define ICM20_SMPLRT_DIV 0x19
/* 配置寄存器 */
#define ICM20_CONFIG 0x1A
/* 陀螺仪配置 */
#define ICM20_GYRO_CONFIG 0x1B
/* 加速度计配置 */
#define ICM20_ACCEL_CONFIG 0x1C
#define ICM20_ACCEL_CONFIG2 0x1D
/* 低功耗模式 */
#define ICM20_LP_MODE_CFG 0x1E
/* FIFO使能 */
#define ICM20_FIFO_EN 0x23
/* 设备ID */
#define ICM20_WHO_AM_I 0x75
/* 加速度数据寄存器（连续14字节: ACCEL_XOUT_H~GYRO_ZOUT_L） */
#define ICM20_ACCEL_XOUT_H 0x3B
/* ... 陀螺仪和温度数据紧随其后 ... */
#endif
5.2 ICM20608设备结构体
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <asm/io.h>
#include "icm20608reg.h"
#define ICM20608_CNT 1
#define ICM20608_NAME "icm20608"
struct icm20608_dev {
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
struct device_node *nd; /* 设备节点 */
int major; /* 主设备号 */
void *private_data; /* 私有数据，存放spi_device */
int cs_gpio; /* 片选GPIO编号 */
signed int gyro_x_adc; /* 陀螺仪X轴原始值 */
signed int gyro_y_adc; /* 陀螺仪Y轴原始值 */
signed int gyro_z_adc; /* 陀螺仪Z轴原始值 */
signed int accel_x_adc; /* 加速度计X轴原始值 */
signed int accel_y_adc; /* 加速度计Y轴原始值 */
signed int accel_z_adc; /* 加速度计Z轴原始值 */
signed int temp_adc; /* 温度原始值 */
};
static struct icm20608_dev icm20608dev;
5.3 SPI设备驱动注册与注销
/* 传统匹配方式ID列表 */
static const struct spi_device_id icm20608_id[] = {
{"alientek,icm20608", 0},
{}
};
/* 设备树匹配列表 */
static const struct of_device_id icm20608_of_match[] = {
{ .compatible = "alientek,icm20608" },
{ /* Sentinel */ }
};
/* SPI驱动结构体 */
static struct spi_driver icm20608_driver = {
.probe = icm20608_probe,
.remove = icm20608_remove,
.driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "icm20608",
.of_match_table = icm20608_of_match,
},
.id_table = icm20608_id,
};
/* 驱动入口函数 */
static int __init icm20608_init(void)
{
return spi_register_driver(&icm20608_driver);
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit icm20608_exit(void)
{
spi_unregister_driver(&icm20608_driver);
}
module_init(icm20608_init);
module_exit(icm20608_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
5.4 probe和remove函数
static int icm20608_probe(struct spi_device *spi)
{
/* 1、构建设备号 */
if (icm20608dev.major) {
icm20608dev.devid = MKDEV(icm20608dev.major, 0);
register_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT,
ICM20608_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&icm20608dev.devid, 0,
ICM20608_CNT, ICM20608_NAME);
icm20608dev.major = MAJOR(icm20608dev.devid);
}
/* 2、注册设备 */
cdev_init(&icm20608dev.cdev, &icm20608_ops);
cdev_add(&icm20608dev.cdev, icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
/* 3、创建类 */
icm20608dev.class = class_create(THIS_MODULE, ICM20608_NAME);
/* 4、创建设备 */
icm20608dev.device = device_create(icm20608dev.class, NULL,
icm20608dev.devid, NULL, ICM20608_NAME);
/* 5、初始化SPI设备 */
spi->mode = SPI_MODE_0; /* MODE0: CPOL=0, CPHA=0 */
spi_setup(spi);
icm20608dev.private_data = spi; /* 保存spi_device */
/* 6、初始化ICM20608内部寄存器 */
icm20608_reginit();
return 0;
}
static int icm20608_remove(struct spi_device *spi)
{
cdev_del(&icm20608dev.cdev);
unregister_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
device_destroy(icm20608dev.class, icm20608dev.devid);
class_destroy(icm20608dev.class);
return 0;
}
5.5 寄存器读写函数（核心）
/* 从ICM20608读取多个寄存器数据 */
static int icm20608_read_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg,
void *buf, int len)
{
int ret = -1;
unsigned char txdata[1];
unsigned char *rxdata;
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if (!t)
return -ENOMEM;
rxdata = kzalloc(sizeof(char) * len, GFP_KERNEL);
if (!rxdata)
goto out1;
/* SPI全双工: 发送len+1字节, 第一个字节为寄存器地址(bit7=1表示读) */
txdata[0] = reg | 0x80; /* 读操作: 寄存器地址bit7置1 */
t->tx_buf = txdata; /* 发送缓冲区 */
t->rx_buf = rxdata; /* 接收缓冲区 */
t->len = len + 1; /* 总长度 = 地址 + 数据 */
spi_message_init(&m); /* 初始化spi_message */
spi_message_add_tail(t, &m);
ret = spi_sync(spi, &m); /* 同步传输 */
if (ret)
goto out2;
memcpy(buf, rxdata + 1, len); /* 跳过第一个字节(地址),拷贝数据 */
out2:
kfree(rxdata);
out1:
kfree(t);
return ret;
}
/* 向ICM20608多个寄存器写入数据 */
static s32 icm20608_write_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg,
u8 *buf, u8 len)
{
int ret = -1;
unsigned char *txdata;
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if (!t)
return -ENOMEM;
txdata = kzalloc(sizeof(char) + len, GFP_KERNEL);
if (!txdata)
goto out1;
/* 发送len+1字节: 第一个字节为寄存器地址(bit7=0表示写) */
*txdata = reg & ~0x80; /* 写操作: 寄存器地址bit7清零 */
memcpy(txdata + 1, buf, len); /* 拷贝要写入的数据 */
t->tx_buf = txdata;
t->len = len + 1;
spi_message_init(&m);
spi_message_add_tail(t, &m);
ret = spi_sync(spi, &m);
if (ret)
goto out2;
out2:
kfree(txdata);
out1:
kfree(t);
return ret;
}
/* 读取单个寄存器 */
static unsigned char icm20608_read_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg)
{
u8 data = 0;
icm20608_read_regs(dev, reg, &data, 1);
return data;
}
/* 写入单个寄存器 */
static void icm20608_write_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, u8 value)
{
u8 buf = value;
icm20608_write_regs(dev, reg, &buf, 1);
}
5.6 数据读取与初始化
/* 读取ICM20608原始数据（六轴+温度，共14字节） */
void icm20608_readdata(struct icm20608_dev *dev)
{
unsigned char data[14] = { 0 };
icm20608_read_regs(dev, ICM20_ACCEL_XOUT_H, data, 14);
dev->accel_x_adc = (signed short)((data[0] << 8) | data[1]);
dev->accel_y_adc = (signed short)((data[2] << 8) | data[3]);
dev->accel_z_adc = (signed short)((data[4] << 8) | data[5]);
dev->temp_adc = (signed short)((data[6] << 8) | data[7]);
dev->gyro_x_adc = (signed short)((data[8] << 8) | data[9]);
dev->gyro_y_adc = (signed short)((data[10] << 8) | data[11]);
dev->gyro_z_adc = (signed short)((data[12] << 8) | data[13]);
}
/* ICM20608寄存器初始化 */
void icm20608_reginit(void)
{
u8 value = 0;
/* 复位ICM20608 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x80);
mdelay(50);
/* 选择时钟源: PLL with X axis gyro reference */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x01);
mdelay(50);
/* 读取并打印设备ID */
value = icm20608_read_onereg(&icm20608dev, ICM20_WHO_AM_I);
printk("ICM20608 ID = %#X\r\n", value);
/* 配置采样率分频: 0 (不分频, Fs=1kHz) */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_SMPLRT_DIV, 0x00);
/* 陀螺仪配置: ±2000°/s */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_GYRO_CONFIG, 0x18);
/* 加速度计配置: ±16g */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG, 0x18);
/* 低通滤波配置 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_CONFIG, 0x04);
/* 加速度计低通滤波 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG2, 0x04);
/* 使能所有轴 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_2, 0x00);
/* 关闭低功耗模式 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_LP_MODE_CFG, 0x00);
/* 关闭FIFO */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_FIFO_EN, 0x00);
}
5.7 字符设备驱动框架
static int icm20608_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &icm20608dev; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
static ssize_t icm20608_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *off)
{
signed int data[7];
long err = 0;
struct icm20608_dev *dev = (struct icm20608_dev *)filp->private_data;
icm20608_readdata(dev);
data[0] = dev->gyro_x_adc;
data[1] = dev->gyro_y_adc;
data[2] = dev->gyro_z_adc;
data[3] = dev->accel_x_adc;
data[4] = dev->accel_y_adc;
data[5] = dev->accel_z_adc;
data[6] = dev->temp_adc;
err = copy_to_user(buf, data, sizeof(data));
return 0;
}
static int icm20608_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
static const struct file_operations icm20608_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = icm20608_open,
.read = icm20608_read,
.release = icm20608_release,
};
5.8 I.MX6U SPI控制器驱动分析
I.MX6ULL的SPI控制器驱动位于 drivers/spi/spi-imx.c，采用platform驱动框架：
/* 设备树匹配表 */
static const struct of_device_id spi_imx_dt_ids[] = {
{ .compatible = "fsl,imx1-cspi", .data = &imx1_cspi_devtype_data, },
{ .compatible = "fsl,imx21-cspi", .data = &imx21_cspi_devtype_data, },
{ .compatible = "fsl,imx51-ecspi", .data = &imx51_ecspi_devtype_data, },
{ .compatible = "fsl,imx6ul-ecspi", .data = &imx6ul_ecspi_devtype_data, },
{ /* sentinel */ }
};
static struct platform_driver spi_imx_driver = {
.driver = {
.name = "spi_imx",
.of_match_table = spi_imx_dt_ids,
},
.probe = spi_imx_probe,
.remove = spi_imx_remove,
};
module_platform_driver(spi_imx_driver);
数据发送调用链：
spi_imx_transfer
→ spi_imx_pio_transfer
→ spi_imx_push
→ spi_imx->tx (函数指针，根据位宽选择u8/u16/u32发送函数)
发送函数通过宏定义实现：
#define MXC_SPI_BUF_TX(type) \
static void spi_imx_buf_tx_##type(struct spi_imx_data *spi_imx) \
{ \
type val = 0; \
\
if (spi_imx->tx_buf) { \
val = *(type *)spi_imx->tx_buf; \
spi_imx->tx_buf += sizeof(type); \
} \
\
spi_imx->count -= sizeof(type); \
\
writel(val, spi_imx->base + MXC_CSPITXDATA); \
}
MXC_SPI_BUF_TX(u8) /* 展开为spi_imx_buf_tx_u8 */
MXC_SPI_BUF_TX(u16) /* 展开为spi_imx_buf_tx_u16 */
MXC_SPI_BUF_TX(u32) /* 展开为spi_imx_buf_tx_u32 */
六、实验验证
6.1 spidev工具测试
Linux内核提供了spidev驱动，可以在用户空间直接测试SPI设备：
# 加载spidev模块（如内核未编译进）
modprobe spidev
# 检查SPI设备节点
ls /dev/spidev*
# 使用spidev测试工具（需要安装spi-tools）
# 发送8字节数据并接收
spi-pitray -D /dev/spidev0.0 -s 1000000 -b 8 -c 0 -r 8
# 读取SPI Flash ID（W25Q64为例）
# 发送0x90命令读取Manufacturer/Device ID
spi-pitray -D /dev/spidev0.0 -s 1000000 -b 8 -c 0 -tx 0x90,0x00,0x00,0x00 -rx 4
6.2 ICM20608驱动测试步骤
# 1. 编译驱动模块
make -j32
# 生成 icm20608.ko
# 2. 编译测试APP（使能硬件浮点）
arm-linux-gnueabihf-gcc -march=armv7-a -mfpu=neon -mfloat-abi=hard \
icm20608App.c -o icm20608App
# 3. 拷贝到开发板rootfs
cp icm20608.ko icm20608App /rootfs/lib/modules/4.1.15/
# 4. 开发板上加载驱动
depmod # 首次加载需执行
modprobe icm20608 # 加载驱动模块
# 5. 运行测试
./icm20608App /dev/icm20608
6.3 测试输出示例
原始值:
gx = 12, gy = -8, gz = 5
ax = 2045, ay = 102, az = 16892
temp = 9856
实际值:
act gx = 0.73°/S, act gy = -0.49°/S, act gz = 0.30°/S
act ax = 1.00g, act ay = 0.05g, act az = 8.25g
act temp = 31.24°C
静止状态下Z轴加速度约1g（重力加速度），三轴角速度约0°/S，温度约30°C。
七、跨平台对比
| 特性 | Linux SPI | I2C | STM32 HAL SPI | RK3568 SPI |
|---|---|---|---|---|
| 总线类型 | 全双工4线 | 半双工2线 | 全双工4线 | 全双工4线 |
| 速度 | 10~80MHz | 100K/400K/1MHz | 最高50MHz | 最高50MHz |
| 设备寻址 | 硬件CS线 | 7bit地址 | 硬件CS线 | 硬件CS线 |
| 多主支持 | 不支持 | 支持 | 不支持 | 不支持 |
| DMA支持 | 内核框架支持 | 内核框架支持 | HAL库支持 | 内核框架支持 |
| 设备描述 | 设备树 | 设备树 | CubeMX配置 | 设备树 |
| 驱动框架 | spi_driver | i2c_driver | HAL_SPI_Transmit | platform_driver |
| API示例 | spi_sync() | i2c_transfer() | HAL_SPI_TransmitReceive() | spi_sync() |
I.MX6ULL vs STM32 vs RK3568 SPI差异：
| 平台 | SPI控制器驱动 | 特点 |
|---|---|---|
| I.MX6ULL | spi-imx.c |
ECSPI控制器，支持32位传输，使用platform驱动框架 |
| STM32F4 | spi-stm32.c |
SPI/I2S控制器，支持SPI全双工/半双工模式 |
| RK3568 | spi-rockchip.c |
SPI控制器，支持DMA传输，兼容多种SPI Flash |
八、面试精选
题目1：SPI和I2C有什么区别？各适用于什么场景？
考察点: 总线对比理解
| 对比项 | SPI | I2C |
|---|---|---|
| 线数 | 4根（SCLK/MOSI/MISO/CS） | 2根（SCL/SDA） |
| 速度 | 高（10~80MHz） | 低（100K/400K/1MHz） |
| 通信方式 | 全双工 | 半双工 |
| 寻址方式 | 硬件CS线 | 7bit/10bit软件地址 |
| 多主支持 | 不支持 | 支持 |
| 适用场景 | 高速数据传输（Flash、传感器） | 低速多设备（EEPROM、RTC） |
详细答案: SPI适合对速度要求高的场景，如SPI Flash（W25Qxx可达80MHz）、高速ADC/DAC、显示屏等。I2C适合对引脚资源敏感、设备较多的场景，如EEPROM、温湿度传感器、RTC时钟等。SPI每增加一个从设备需要一根CS线，而I2C通过地址区分，理论上可挂128个设备。
题目2：Linux SPI子系统架构是怎样的？与I2C有何异同？
考察点: 驱动架构理解
详细答案: Linux SPI子系统分为三层：SPI设备驱动层（spi_driver）、SPI核心层（API函数）、SPI控制器驱动层（spi_master）。与I2C子系统高度相似：I2C使用i2c_driver→i2c_core→i2c_adapter，SPI使用spi_driver→spi_core→spi_master。
核心区别：I2C的i2c_adapter对应SPI的spi_master，I2C的i2c_client对应SPI的spi_device。两者都采用总线匹配机制，匹配函数分别为i2c_match_device和spi_match_device，都支持设备树匹配（compatible）、传统ID匹配（id_table）和名称匹配。
题目3：SPI驱动中如何实现寄存器读写？tx_buf和rx_buf的作用是什么？
考察点: SPI传输机制
详细答案: SPI是全双工通信，每次传输同时发送和接收数据。寄存器读写通常通过以下步骤：
- 发送: 构造发送缓冲区
tx_buf，第一个字节为寄存器地址（读操作bit7置1，写操作bit7清零），后续字节为写入数据 - 接收: 构造接收缓冲区
rx_buf，长度与发送相同 - 全双工传输: 调用
spi_sync()，硬件同时发送tx_buf并接收数据到rx_buf - 解析: 跳过
rx_buf第一个字节（对应地址字节的响应），后续字节即为读取的寄存器值
tx_buf和rx_buf可以指向同一缓冲区（原地读写），但通常分开使用以提高可读性。长度由len统一指定（全双工收发长度相同）。
题目4：SPI的四种模式（Mode 0~3）有什么区别？如何选择？
考察点: SPI时序理解
详细答案: 四种模式由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）组合决定：
- Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCLK空闲低电平，第一个边沿采样。最常用，多数SPI设备默认模式。
- Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCLK空闲低电平，第二个边沿采样。
- Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCLK空闲高电平，第一个边沿采样。
- Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCLK空闲高电平，第二个边沿采样。
选择依据：必须查阅从设备数据手册。ICM20608支持Mode 0和Mode 3。如果主从设备模式不匹配，数据会出错。在Linux驱动中通过spi->mode = SPI_MODE_X设置，然后调用spi_setup()生效。
题目5：I.MX6ULL的SPI控制器驱动是如何工作的？数据最终如何发送到硬件？
考察点: 平台驱动理解
详细答案: I.MX6ULL的SPI控制器驱动spi-imx.c采用platform驱动框架。匹配成功后spi_imx_probe()执行，从设备树读取属性值，申请并初始化spi_master，调用spi_bitbang_start()注册到内核。
数据发送调用链：spi_imx_transfer → spi_imx_pio_transfer → spi_imx_push → spi_imx->tx（函数指针）。spi_imx结构体中维护了tx和rx函数指针，根据数据位宽（8/16/32位）选择对应的发送函数（如spi_imx_buf_tx_u8），最终通过writel()将数据写入ECSPI的TXDATA寄存器。这与裸机操作SPI寄存器的方式完全一致，只是被封装在Linux驱动框架中。
代码来源: Linux驱动例程 22_spi（基于正点原子I.MX6ULL开发板） 最后更新: 2026-09-17