SPI

1. SPI 简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的串行通信总线，由摩托罗拉（Motorola）在 20 世纪 80 年代推出，广泛应用于微控制器与外设之间的通信，如传感器、存储器、显示器等。

1.1 SPI 接口基本组成

SPI 采用主从架构，通常包含 4 条信号线：

信号线	英文全称	功能描述
主出从入	MOSI（Master Out Slave In）	主设备发送数据，从设备接收数据。
主入从出	MISO（Master In Slave Out）	从设备发送数据，主设备接收数据。
时钟线	SCLK（Serial Clock）	由主设备产生，控制数据传输的时序。
片选线	CS/SS（Chip Select/Slave Select）	主设备通过拉低对应从设备的 CS 线来选中目标从设备，通常为低电平有效。

1.2 SPI 工作原理

通信启动：主设备通过拉低目标从设备的 CS 线，建立通信连接。
时钟同步：主设备通过 SCLK 线提供时钟信号，数据在时钟的上升沿或下降沿传输（由时钟极性和相位决定，即 SPI 的模式）。
数据传输：主设备通过 MOSI 发送数据，从设备通过 MISO 回应数据，实现全双工通信；数据以串行方式逐位传输，通常 MSB（最高位）优先。
通信结束：当主设备发送完所有数据后，主动拉高 CS 线，结束通信。

1.3 SPI 的主要特点

特性	优点	缺点
传输性能	传输速度快，最高可达数十 Mbps，适用于高速数据传输场景。	没有应答机制，无法确保数据传输的可靠性。
硬件成本	接口简单，硬件实现成本低，仅需少数几根线即可完成通信。	通信距离较短，通常适用于板级内的芯片间通信。
多设备支持	支持多从设备连接，主设备通过不同的 CS 线选择不同从设备。	从设备之间不能直接通信，必须通过主设备协调。

1.4 SPI 传输模式

SPI 的传输模式由两个参数决定：

时钟极性（CPOL，Clock Polarity）：决定 SCLK 的空闲电平（0 或 1）。
时钟相位（CPHA，Clock Phase）：决定数据采样是在时钟的第一个沿还是第二个沿。 两者组合形成 4 种模式： | 模式 | CPOL | CPHA | 时钟空闲电平 | 数据采样沿 | |------|------|------|--------------|------------| | 0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿 | | 1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿 | | 2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿 | | 3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿 |

1.5 SPI 常见应用场景

应用场景	示例设备/芯片	具体型号示例
存储器	EEPROM、Flash 存储器	W25Q 系列
传感器	加速度计、陀螺仪	ADXL345
显示驱动	OLED、LCD 驱动芯片	SSD1306
模数转换器（ADC）	ADC 芯片	ADS1115
外设扩展	SPI 转 UART、SPI 转 I2C 芯片	如 MAX3100（SPI 转 UART）

1.6 SPI 与其他接口对比

与 I2C 的对比：
- SPI 速度更快，但需要更多信号线（I2C 仅需 SDA、SCL 和 GND），且不支持多主设备。
- I2C 有应答机制，传输可靠性更高，适合低速、多设备场景。
与 UART 的对比：
- SPI 是同步通信（需时钟线），UART 是异步通信（无需时钟线）。
- SPI 支持全双工实时通信，UART 通常为半双工或全双工（需两根数据线）。
与 CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）对比：
- SPI 是同步通信，CAN 是异步通信。
- SPI 支持多主设备连接，CAN 仅支持一对多通信。
- SPI 通常用于短距离通信，CAN 用于长距离通信（如汽车网络）。

2. XNIUPI SPI 接口

XNIUPI-R系列开发主机对外提供1路 SPI 接口，位于 20PIN PHD连接器，具体如下： XNIUPI-SPI接口示意图

另外在XNIUPI-R系列开发主机内部主板上的MINI-PCIE座子上还预留一路SPI，具体如下： XNIUPI-MIPI-PCIE-SPI接口示意图

可以通过如下指令查看SPI设备（以R800为例）：

root@linaro-alip:/dev# ls /sys/class/spi_master
spi1  spi2  spi4
# 以上说明系统识别到三个SPI接口，分别为SPI1 SPI2 PSI4
# 其中SPI2为内部连接PMIC未暴露出来给用户，SPI4接到MINI-PCIE，SPI1接到对外的 20PIN PHD座子

3. SPI 接口使用

我们有两种方式可以将SPI接口使用起来：

使用 spidev 用户空间接口（适用于测试或自定义驱动）
使用内核驱动（适用于挂载特定 SPI 设备）

以下分别做简要介绍。

3.1 方式一：使用 spidev 用户空间接口

如果需要直接通过用户空间程序访问 SPI，可以启用spidev驱动。

3.1.1 步骤1：修改设备树添加 spidev 节点

&spi1{
    status = "okay";
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&spi1m1_cs0 &spi1m1_pins>;
	//num-cs = <1>;

	spidev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;  /* CS0 */
        spi-max-frequency = <50000000>;  /* 50MHz */
    };
};

3.1.2 步骤2：编译内核，重新烧录系统（可以只烧录boot.img）

cd <sdk>/ # 进入SDK根目录
./build.sh lunch # 选择板级配置文件
./build.sh kernel # 编译内核，生成boot.img镜像

烧录固件或分区镜像步骤请参考相关章节，此处略。

3.1.3 步骤 3：验证 spidev 节点

烧录镜像后，应看到/dev/spidev1.0节点（对应 spi1 控制器的 CS0）：

root@linaro-alip:/# ls /dev/spidev*
/dev/spidev1.0

3.1.4 步骤 4：使用 spidev 进行数据传输

可以通过 C 程序或 Python 库（如spidev）访问 SPI。以下是 Python 示例：

import spidev
import time

# 打开SPI设备（spi1.0）
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(1, 0)  # bus=1, device=0
spi.max_speed_hz = 50000000  # 设置SPI频率

# 发送和接收数据
data = [0x01, 0x02, 0x03]
response = spi.xfer2(data)
print(f"发送: {data}")
print(f"接收: {response}")

# 关闭SPI设备
spi.close()

3.2 方式二：使用内核驱动

3.2.1 步骤1：修改设备树添加设备节点

假设我们需要挂载 W25Q Flash 存储器：

&spi1{
    status = "okay";
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&spi1m1_cs0 &spi1m1_pins>;
	//num-cs = <1>;

	flash@0 {
        compatible = "winbond,w25q128";
        reg = <0>; /* CS0 */
        spi-max-frequency = <50000000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
    };

};

3.2.2 步骤2：编译内核，重新烧录系统（可以只烧录boot.img）

cd <sdk>/ # 进入SDK根目录
./build.sh lunch # 选择板级配置文件
./build.sh kernel # 编译内核，生成boot.img镜像

烧录固件或分区镜像步骤请参考相关章节，此处略。

3.2.3 步骤 3：查看SPI设备节点

dmesg | grep -i w25q  # 根据设备名称调整关键字
ls /sys/bus/spi/devices/spi1.0  # 查看设备是否存在

3.2.4 步骤 4：测试 SPI 接口（使用 spidev）

如果只是想测试 SPI 接口是否正常工作，可以使用spidev_test工具（需先安装）：

# 安装spidev-utils
apt-get install spidev-utils

# 测试SPI通信（发送0xFF并接收）
spidev_test -D /dev/spidev1.0 -s 1000000 -p "\xFF\xFF\xFF"