SPI协议基础：从四根线理解Linux SPI框架
1. What is SPI?
在开始本章之前，先抛出一个问题，Linux SPI 框架最终要控制什么？
在嵌入式系统中，核心就是CPU，只有CPU是不能工作的，往往还需要接入各种外设并且与外设通信。
例如传感器、Flash、显示屏、ADC等。不同设备之间需要一种统一的数据交换方式，因此产生了各种通信协议，例如 UART、I2C、SPI。
本系列就是介绍其中的SPI。
先给出定义：SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步串行通信协议。
这里针对三个关键点分别解释：
1. 高速
高速是一个模糊概念，究竟高到什么程度？这里高速相对于IIC，普通UART，CAN等低速总线。本身并没有规定最高速度。
其传输数据的速率和SPI的时钟频率有关：
| SPI 时钟 | 理论位速率 |
|---|---|
| 1 MHz | 1 Mbit/s |
| 10 MHz | 10 Mbit/s |
| 20 MHz | 20 Mbit/s |
| 50 MHz | 50 Mbit/s |
| 100 MHz | 100 Mbit/s |
2. 全双工
与之对应的还有两个概念：单工和半双工。
画个图大家就清楚了：
单工：数据始终只能单向传输
半双工：同一时间只允许向一个方向传输
全双工：同一个时刻允许两台同时进行双向数据传输
3. 同步串行
很明显，分两部分理解。
先看串行，就是数据一位一位的传输。例如传输数据为一个字节：10110010。
串行通信只能使用一根数据线。每个时刻只能传输一位。
与之对应的为并行，如果使用八根传输线，同一个时刻能传输一个字节。
再看同步，现在数据线上有数据了，那我接收的时候怎么确定什么时候开始读取呢？
又怎么知道每一位持续多长时间？
同步通信通过一根时钟线解决这个问题，就像打电话的铃声，通知你该接电话了。
时钟信号如上，我们只需要规定数据在哪个时钟边沿发生变化，以及在哪个时钟边沿被读取就行。
2. Why Need SPI?
通过上面的讲解，我觉得大家应该知道SPI是个什么东西了。那为什么需要这个东西？不是还有其他协议吗？你SPI就特殊些？就只有你能干了？
其实不是，众多协议中没有一种是最优的。只是每种协议都有自己的偏向性，SPI 是其中偏向”短距离、高速度、简单直接”的方案。
SPI通常由四根线组成，分别为：
- SCLK：时钟
- MOSI：主机发、从机收
- MISO：从机发、主机收
- CS：片选
只要主机选中设备就能进行传输。
那为什么不用UART代替呢？UART 适合两个设备进行简单的点对点通信，对速率要求不高。
那为什么不用IIC代替呢？IIC只需两个引脚，牺牲了物理那么软件实现就相对复杂。
- 设备多、速度低、希望省线就选 I²C
- 设备少、数据多、追求速度就选 SPI
其他协议主播还没工程经验，就不讲了，后面有了再补充。
3. SPI 物理结构
接下来让我们看一下SPI的物理结构。上面其实已经讲了，SPI一般由四根线组成：
- SCLK：时钟
- MOSI（Master Output Slave Input）：主机发、从机收
- MISO（Master Input Slave Output）：从机发、主机收
- CS：片选
但有的时候会有5根的情况，是增加了一条 READY 线。之所以需要是因为SPI有一个限制：只有主机可以产生时钟，从机不能主动发起 SPI 传输。
假设从机完成了一次数据采集，想把数据发给主机。它不能直接通过 MISO 发送，因为此时没有 SCLK。上面我们已经说过SCLK的作用和重要性了。此时就需要这根线去通知主机，在两边做约束。
那什么时候需要 READY 呢？如果从机只需要被主机查询，用标准四根线；如果从机需要及时通知主机”我有事/有数据/准备好了”，通常加一根 READY/IRQ，使用五根线。
我们思考一个场景，假设主机产生信号，告诉从机你马上响应我的需求，如果这个时候从机能立马响应且完成需求，那么4根线也没什么关系。如果不能立刻响应，那么主机就需要轮询地问”你好了吗？你好了吗？快点，你好了吗？”
轮询会造成什么恶果呢？一个是占用CPU，一个是响应延迟。那么此时 READY 线就有用了。
4. SPI 通信时序
4.1 通信模式
简单的讲就是两边共同的约定。主要有4种模式 Mode0~3，由两个参数决定：CPOL 和 CPHA。
CPOL（时钟极性）：表示不通信时，SCLK 保持高电平还是低电平。
当 CPOL = 0 时，空闲电平为低
当 CPOL = 1 时，空闲电平为高
CPHA（时钟相位）：一个时钟周期中，在哪个边沿采样数据。
- 当 CPHA = 0 时，每个周期的第一个边沿采样
- 当 CPHA = 1 时，每个周期的第二个边沿采样
4.2 实例
我们以一个实际的例子讲解通讯过程中的时序图。
假设主机要读取从机 0x12 寄存器，从机返回数据 0x5A。
两边做一下规定：
- 使用 SPI Mode 0，即 CPOL=0，CPHA=0
- 8位数据
- MSB first，高位先传
- 读命令最高位为1
- 寄存器地址为 0x12
- 主机发送命令 0x80 | 0x12，由操作码和寄存器地址组成
- 主机再发送一个 Dummy 字节 0xFF，为从机返回数据提供时钟
整个数据链：
| 第一字节 | 第二字节 | |
|---|---|---|
| 主机发送 | 0x92 | 0xFF |
| 从机返回 | 无效 | 0x5A |
整个时序图如下：
主机先拉低CS，选中从机。根据设置的 Mode0，在每个周期的第一个边沿采样数据。
产生8个时钟，在MOSI上发送 0x92，发送完成后，接着发送 0xFF 为从机提供时钟，从机收到 0x92 的信息去寄存器 0x12 取数据，在MISO上返回 0x5A。
4.3 为什么 Linux 需要 SPI 框架
为什么Linux需要一个统一的SPI框架？现实的场景往往不是一个MCU对应一个固定的SPI，而是不同厂商不同类型的SPI外设。而SPI框架的作用就是把控制器怎么工作和外设需要传输什么数据分离，并统一管理。
整个框架如下，先大致了解一下，后面会详细介绍：
- Device Driver：决定具体的通信设备是什么
- SPI Core：负责管理每次的SPI通信请求
- SPI Controller Driver：负责具体的硬件操作，比如使用什么模式、数据的传输宽度、SPI寄存器配置等
- Hardware：具体硬件
5. 总结
SPI是一种同步串行通信协议，通过SCK、MOSI、MISO、CS四根信号线实现Master和Slave之间的数据交换。
在Linux系统中，SPI硬件被抽象为SPI Controller，而具体外设被抽象为SPI Device。Linux SPI Framework通过SPI Core连接Controller Driver和Device Driver，使设备驱动无需关注底层寄存器操作，只需要调用统一SPI接口即可完成数据传输。
6. 互动
你现在能回答下面四个问题吗？欢迎在评论区交流讨论：
- SPI数据谁产生？
- Linux SPI驱动框架里面谁对应Master？
- 为什么需要Linux SPI驱动框架？