Linux SPI Framework整体架构分析

1. SPI Framework

上一章我们讲解了SPI的物理模型和传输时序图，从这一章开始我们深入分析Linux SPI框架。整个框架如图：

看到这张图是不是蒙了？先别急，后面我们会慢慢讲解。你只需要记住，核心就分为三个层次：

• 第一层：设备驱动层（Device Driver），主要负责设备的功能，简单的理解就是跟 SoC 通信的设备
• 第二层：SPI Core 层，这是 Linux 提供的公共框架，负责管理每次的 SPI 通信请求
• 第三层：SPI Controller Driver，负责具体的 SoC 的 SPI 硬件

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2. 三个核心对象

整个框架里面有三个核心对象，就是软件层抽象的物理世界。分别是 spi_controller、spi_device 和 spi_driver。其中：

• spi_controller 表示一台 SPI 主控制器
• spi_device 表示挂在该控制器上的一个从设备
• spi_driver 是对应的从设备的软件驱动

结构关系：

2.1 spi_controller

我们先来看 spi_controller，其在物理层对应 Master，源码位置在 include/linux/spi/spi.h：

struct spi_controller {
    struct device dev;              /* 内嵌的设备结构体，用于挂载到设备模型 */

    int (*transfer)(...);           /* 批量传输：一次可发起多个 spi_message */

    int (*transfer_one)(...);       /* 单次传输：一次只处理一个 spi_message */
};

我们先不分析源码，先有个概念：它表示一个SPI控制器，SPI控制器就是 SoC 里面对应的能实现SPI通信的端口。比如一块 SoC 里面可能有 SPI0~SPI2 三个控制器，那么每一个就对应软件层的一个 spi_controller。主要负责产生时钟信号、控制片选CS、数据收发等。

2.2 spi_device

接着看 spi_device，对应从机设备。比如你有一个 IMU，那么在 SPI 控制框架中就被抽象成一个 spi_device 对象。源码位置在 include/linux/spi/spi.h：

struct spi_device {
    struct device dev;                  /* 内嵌的设备结构体，用于挂载到设备模型 */

    struct spi_controller *controller;  /* 指向所属的 SPI 主控制器 */

    u32 max_speed_hz;                   /* 该从设备支持的最大通信时钟频率 (Hz) */

    u8 mode;                            /* SPI 工作模式 (CPOL/CPHA 组合，如 MODE0~3) */

    u8 chip_select;                     /* 片选信号编号 (对应主控制器上的第几个 CS 引脚) */

};

2.3 spi_driver

有了设备描述还不够，还需要对应的驱动代码，也就是 spi_driver，源码也在 include/linux/spi/spi.h：

struct spi_driver {
    const struct spi_device_id *id_table;   /* 支持的设备ID表，用于与 spi_device 匹配 */
    int         (*probe)(struct spi_device *spi);   /* 设备匹配成功后调用的探测函数 */
    int         (*remove)(struct spi_device *spi);   /* 设备移除时调用的清理函数 */
    void        (*shutdown)(struct spi_device *spi); /* 系统关机时调用的回调 */
    struct device_driver    driver;          /* 内嵌的通用设备驱动结构体 */
};

不同设备的 spi_driver 不一样，填充上面的结构体即可。

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3. DTS 创建 spi_device

这个我们直接以一个实例感受：

spi0 {

    status = "okay";


    imu@0 {

        compatible = "invensense,icm42688";


        reg = <0>;


        spi-max-frequency = <10000000>;

    };
};

上面表示在 SPI0 控制器下面挂载了一个 IMU 从设备。其中：

• reg = <0>：表示 CS 编号，这里就是 CS0
• spi-max-frequency：最大时钟频率，这里是 10MHz
• status：使能
• compatible：与驱动中 spi_driver 匹配

整个启动流程就是先解析设备树，把参数给到 SPI Controller Driver，创建 spi_device 后与对应的 spi_driver 进行匹配，匹配完成后执行 probe 函数。

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4. SPI 数据传输流程

假设传感器驱动读取2字节：

spi_read(spi, rx_buf, 2);

static inline int
spi_read(struct spi_device *spi, void *buf, size_t len)
{
    /* 构造一个 spi_transfer 描述本次传输 */
    struct spi_transfer t = {
            .rx_buf     = buf,      /* 接收缓冲区，存放从设备发来的数据 */
            .len        = len,      /* 本次传输的字节数 */
        };

    /* 发起同步传输：阻塞等待传输完成，最后一个参数表示 transfer 个数 */
    return spi_sync_transfer(spi, &t, 1);
}

其中的 spi 表示 struct spi_device *spi 具体的设备。其构造了一个 spi_transfer，随后放入 spi_message，然后同步传输。其中 spi_message 表示一次完整的逻辑通信。接着，SPI Core 把消息交给对应 spi_controller，SPI Core 从 message 中取出 transfer，然后调用 transfer_one()。示意图如下：

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5. 总结

好了，到这里我们就结束了。Linux SPI框架主要通过分层设计，将SPI设备驱动与SPI控制器硬件实现进行解耦。

整体分为三个部分：

• spi_driver：负责设备功能
• SPI Core：负责设备管理和数据调度
• spi_controller driver：负责控制具体的SPI硬件

当设备树创建SPI设备后，Linux通过 driver match 机制调用设备驱动 probe 函数，随后设备驱动通过SPI Core提供的接口完成数据传输。

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6. 互动

1. Linux 为什么需要 SPI Framework？
2. 一个 SPI 设备从 DTS 到驱动 probe 的流程是什么？
3. spi_controller、spi_device、spi_driver 三者是什么关系？
4. 数据传输时，数据如何从设备驱动走到底层硬件？