1 为什么SPI设备需要DTS描述
对于 USB 设备、PCIe 设备，你插上去，内核就能自动识别。因为总线本身有设备枚举机制。USB 设备插上后，主机控制器会发起枚举请求，设备返回自己的 Vendor ID、Product ID、Class 等信息，内核据此动态创建 struct device 并匹配驱动。但 SPI 总线天生不具备这个能力。
SPI 协议只定义了 MOSI、MISO、SCLK、CS 四根线（或更少），没有地址线，没有标准的设备 ID 寄存器，也没有统一的枚举命令。也就是说：
SPI 从设备是被动的、沉默的。主机不发命令，它不会自我介绍。
假设SoC 内部集成了 4 个 SPI 控制器（SPI0 ~ SPI3）。但具体外接什么设备，完全由板级设计决定：
- 板子 A：SPI0 上挂了一颗 IMU 惯性测量单元
- 板子 B：SPI0 上挂了一颗 CAN 控制器
- 板子 C：SPI1 上挂了一颗 音频 DAC Codec
三块板子都用同一颗 Soc，但 SPI 总线上的从设备完全不同。
如果把这些设备信息”硬编码”在内核里，那就得给每块板子单独编译一个内核这明显不可行，也不符合 Linux 内核 Image + 设备树分离设计的哲学。
Linux内核中使用**Device Tree（设备树，简称 DT）**描述硬件清单，由Bootloader传给内核，内核启动时解析。
2 SPI设备树节点结构
假设一款Soc的SPI节点如下
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| spi0: spi@fe610000 {
compatible = "rockchip,rk3568-spi";
reg = <0xfe610000 0x1000>;
interrupts = <GIC_SPI 200 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
status = "okay";
imu@0 {
compatible = "xxx,imu";
reg = <0>;
spi-max-frequency = <10000000>;
};
};
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我们看一下每一步分表示什么
- spi0: spi@fe610000对应：struct spi_controller
- imu@0：对应struct spi_device
- compatible：用于驱动匹配
- reg = <0>：片选编号
- spi-max-frequency：最大时钟频率
3 内核启动中SPI初始化
Linux内核启动的时候有个start_kernel函数，负责一系列初始化的工作。
start_kernel不断向下调用，最后会调用一个driver_init函数，用于初始化驱动模型。
让我们来看看
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| void __init driver_init(void)
{
bdi_init(&noop_backing_dev_info);
devtmpfs_init();
devices_init();
buses_init();
classes_init();
firmware_init();
hypervisor_init();
of_core_init();
platform_bus_init();
auxiliary_bus_init();
memory_dev_init();
node_dev_init();
cpu_dev_init();
container_dev_init();
}
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主要由两个部分组成，一部分是内核设备驱动的基础，一部分是总线类型和设备树。
我们看一下SPI总线对应的代码
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| static int __init spi_init(void)
{
....
status = bus_register(&spi_bus_type);
}
postcore_initcall(spi_init);
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上面会注册SPI总线，此时会出现/sys/bus/spi/。
drivers/spi/spi.c文件的末尾，SPI Core 使用 initcall 机制注册初始化函数。
整个调用过程如下
4 spi_controller如何创建
上面的DTS中，spi@fe610000就是一个SPI控制器，他是怎么被创建的呢？
首先DTS里面的内容被解析为device_node，生成platform_device，匹配具体的Soc的SPI控制器
(比如rockchip的)，调用probe函数，使用spi_register_controller创建并注册spi_controller。流程如下
比如我们以drivers/spi/spi-rockchip.c为例子
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| static int rockchip_spi_probe(struct platform_device *pdev) {
ctlr = devm_spi_alloc_master();
...
spi_register_controller(ctlr);
}
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spi_register_controller的具体作用如下
源码位置：drivers/spi/spi.c
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| int spi_register_controller(struct spi_controller *ctlr)
{
struct device *dev = ctlr->dev.parent;
status = spi_controller_check_ops(ctlr);
if (ctlr->bus_num < 0)
ctlr->bus_num = of_alias_get_id(...);
init_completion(&ctlr->xfer_completion);
if (!ctlr->max_dma_len)
ctlr->max_dma_len = INT_MAX;
dev_set_name(&ctlr->dev, "spi%u", ctlr->bus_num);
if (ctlr->use_gpio_descriptors)
spi_get_gpio_descs(ctlr);
status = device_add(&ctlr->dev);
if (ctlr->transfer_one || ctlr->transfer_one_message)
spi_controller_initialize_queue(ctlr);
mutex_lock(&board_lock);
list_add_tail(&ctlr->list, &spi_controller_list);
list_for_each_entry(bi, &board_list, list)
spi_match_controller_to_boardinfo(ctlr, &bi->board_info);
mutex_unlock(&board_lock);
of_register_spi_devices(ctlr);
acpi_register_spi_devices(ctlr);
return 0;
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首先注册了device并加入SPI总线，创建了设备节点，比如/sys/class/spi_master/spi0，of_register_spi_devices扫描Device Tree子节点。
5 DTS如何创建spi_device
重点就是上面的of_register_spi_devices()函数
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| static void of_register_spi_devices(struct spi_controller *ctlr)
{
struct spi_device *spi;
struct device_node *nc;
for_each_available_child_of_node(ctlr->dev.of_node, nc) {
if (of_node_test_and_set_flag(nc, OF_POPULATED))
continue;
spi = of_register_spi_device(ctlr, nc);
if (IS_ERR(spi)) {
dev_warn(&ctlr->dev,
"Failed to create SPI device for %pOF\n", nc);
of_node_clear_flag(nc, OF_POPULATED);
}
}
}
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遍历controller节点下面子节点，没发现一个spi_device就调用of_register_spi_device创建一个
6 SPI设备和driver匹配
经过前面几步，系统中已经有了两个关键对象：
spi_device：由 of_register_spi_device() 创建，代表 DTS 中的 imu@0，其 modalias = "xxx,imu"，dev.of_node 指向设备树的子节点。spi_driver：由设备驱动代码注册（如调用 module_spi_driver(imu_driver)），其 id_table 包含 {"xxx,imu", 0}，driver.of_match_table 指向对应的 of_device_id 表。
两者都注册在 spi_bus_type 总线上，但此时还未建立关系。
匹配入口spi_bus_type.match
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| const struct bus_type spi_bus_type = {
.name = "spi",
.dev_groups = spi_dev_groups,
.match = spi_match_device,
.uevent = spi_uevent,
.probe = spi_probe,
.remove = spi_remove,
.shutdown = spi_shutdown,
};
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当 spi_device 被 device_add() 注册到总线时，内核会遍历总线上所有已注册的 spi_driver，调用 bus->match()（即 spi_match_device()）判断设备与驱动是否匹配。
匹配函数spi_match_device
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| static int spi_match_device(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
const struct spi_device *spi = to_spi_device(dev);
const struct spi_driver *sdrv = to_spi_driver(drv);
if (of_driver_match_device(dev, drv))
return 1;
if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
return 1;
if (sdrv->id_table)
return !!spi_match_id(sdrv->id_table, spi);
return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;
}
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整个匹配流程如下
7 总结
Linux SPI设备不是由驱动直接创建，而是通过Device Tree描述硬件信息。
启动过程中，SPI Controller驱动首先注册spi_controller，随后SPI Core解析Device Tree中的子节点，根据节点信息创建对应的spi_device。
当spi_device创建完成后，Linux通过SPI bus的match机制寻找对应spi_driver，匹配成功后调用probe函数完成设备初始化。
8 互动
设备树里面写了一个 SPI 设备，Linux 内核到底什么时候、怎么把它变成 struct spi_device，并最终调用驱动 probe？