16. SPI通信

在Linux内核文档的Documentation/SPI目录下有关于SPI驱动非常详细的说明。

16.1. SPI通讯协议简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设 备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、 LCD 等设备与 MCU 间， 要求通讯速率较高的场合学习本章时，可与 I2C 章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异。 下面我们分别对 SPI 协议的物理层及协议层进行讲解。

SPI通讯设备之间的常用连接方式见下图。

未找到图片

SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS* ，它们的作用介绍如下：

  • 片选线(Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线， 也称为NSS、CS，以下用NSS表示。SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。

  • SCK(Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步，它由通讯主机产生。

  • MOSI(Master Output，Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。数据方向为主机到从机。

  • MISO(Master Input，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。数据方向为从机到主机。

SPI分成了四种模式，见下表， 主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

SPI模式

CPOL

CPHA

空闲时SCK时钟

采样时刻

0

0

0

低电平

奇数边沿

1

0

1

低电平

偶数边沿

2

1

0

高电平

奇数边沿

3

1

1

高电平

偶数边沿

16.2. 使能SPI设备

IMX6ULL的spi接口称为“ECSPI”,它在普通spi接口新加入来一些特性。 把它当作普通spi接口使用即可。 IMX6ULL有四个ECSPI接口，本实验主要使用它的第三个。

在 /boot/uEnv.txt 文件中打开ECSPI_3相关设备树，并需要关闭串口2的设备树插件， 两者存在io复用冲突，不能同时使用，如下图:

未找到图片

16.2.1. 检查SPI设备

使能exspi_3设备树插件之后重新开发板，通过SPI设备文件来判断spi驱动是否加载成功。 SPI_3对应的设备文件是spidev2.0，如下所示

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root@npi:/home/zhan# ls -l  /dev/spidev2.0
crw-rw---- 1 root spi 153, 0 Feb 14  2019 /dev/spidev2.0
root@npi:/home/zhan#

16.2.2. SPI引脚关系

其中ECSPI_3的引脚关系如下表所示

SPI引脚

原理图网络标号

引脚引出位置（排针）

SPI3_MOSI

UART2_CTS

CN4排针 IO1.22 脚

SPI3_MISO

UART2_RTS

CN4排针 IO1.23 脚

SPI3_CLOCK

UART2_RXD

CN4排针 IO1.21 脚

SPI3_CS

UART2_TXD

CN4排针 IO1.20 脚

16.3. SPI相关数据结构与ioctl函数

编写应用程序需要使用到spi_ioc_transfer结构体，如下所示

linux/spi/spidev.h
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struct spi_ioc_transfer {
   __u64             tx_buf;     //发送数据缓存
   __u64             rx_buf;     //接收数据缓存

   __u32             len;        //数据长度
   __u32             speed_hz;   //通讯速率

   __u16             delay_usecs;    //两个spi_ioc_transfer之间的延时，微秒
   __u8              bits_per_word;  //数据长度
   __u8              cs_change;      //取消选中片选
   __u8              tx_nbits;       //单次数据宽度(多数据线模式)
   __u8              rx_nbits;       //单次数据宽度(多数据线模式)
   __u16             pad;

};

在编写应用程序时还需要使用ioctl函数设置spi相关配置，其函数原型如下

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 #include <sys/ioctl.h>

 int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

其中对于终端request的值常用的有以下几种

SPI_IOC_RD_MODE

设置读取SPI模式

SPI_IOC_WR_MODE

设置写入SPI模式

SPI_IOC_RD_LSB_FIRST

设置SPI读取数据模式(LSB先行返回1)

SPI_IOC_WR_LSB_FIRST

设置SPI写入数据模式。(0:MSB，非0：LSB)

SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD

设置SPI读取设备的字长

SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD

设置SPI写入设备的字长

SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ

设置读取SPI设备的最大通信频率。

SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ

设置写入SPI设备的最大通信速率

SPI_IOC_MESSAGE(N)

一次进行双向/多次读写操作

提示

SPI的读写和写入可以设置为不同的参数。

16.4. 编写测试程序

根据ioctl相关参数即可编写spi相关测试程序，此处为了简单仅做回环测试实验， 只需要将SPI3的 MIOS与MOSI引脚(pro开发板上的IO1.22和IO1.23)使用跳线帽短接即可。

ebf_6ull_quick_start_code/Source/spi/spi_test/spi_test.c
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

#include <linux/spi/spidev.h>

#define spi3_oled_DEV_path        "/dev/spidev2.0"

/*SPI 接收 、发送 缓冲区*/
static unsigned char tx_buffer[100] = "hello the world !";
static unsigned char rx_buffer[100];

static int fd;                          // SPI 控制引脚的设备文件描述符

static uint32_t mode = SPI_MODE_2;      //用于保存 SPI 工作模式
static uint8_t bits = 8;                // 接收、发送数据位数
static uint32_t speed = 500000;         // 发送速度
static uint16_t delay;                  //保存延时时间

//spi初始化
static int spi_init(void);
//spi发送数据
static int transfer(int fd, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len);

int main(int argc,char * argv[])
{
   int ret;

   ret = spi_init();
   if( -1 == ret  )
   {
      printf("spi_init error\n");
      exit(-1);
   }

   ret = transfer(fd, tx_buffer, rx_buffer, sizeof(tx_buffer));
   if (-1 == ret  )
   {
      printf("transfer error...\n");
   }

   /*打印 tx_buffer 和 rx_buffer*/
   printf("tx_buffer: \n %s\n ", tx_buffer);
   printf("rx_buffer: \n %s\n ", rx_buffer);

   return 0;
}

int transfer(int fd, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len)
{
   int ret;

   struct spi_ioc_transfer tr = {
      .tx_buf = (unsigned long )tx,
      .rx_buf = (unsigned long )rx,
      .len = len,
      .delay_usecs = delay,
      .speed_hz = speed,
      .bits_per_word =bits,
   };

   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_MESSAGE(1),&tr);
   if( ret == -1 )
   {
      return -1;
   }

   return 0;
}

int spi_init(void)
{
   int ret;
   fd = open(spi3_oled_DEV_path,O_RDWR);
   if(fd < 0)
   {
      perror("/dev/spidev2.0");
      return -1;
   }

   //设置spi工作模式
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MODE,&mode);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_RD_MODE error......\n ");
      goto fd_close;
   }
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE,&mode);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_WR_MODE error......\n ");
      goto fd_close;
   }

   //设置SPI通信的字长
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD,&bits);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD error......\n ");
      goto fd_close;
   }
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD,&bits);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD error......\n ");
      goto fd_close;
   }

   //设置SPI最高工作频率
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ,&speed);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ error......\n ");
      goto fd_close;
   }
   ret = ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ,&speed);
   if( ret == -1)
   {
      printf("SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ error......\n ");
      goto fd_close;
   }


   printf("spi mode: 0x%x\n", mode);
   printf("bits per word: %d\n", bits);
   printf("max speed: %d Hz (%d KHz)\n", speed, speed / 1000);

   return 0;

fd_close:

   close(fd);
   return -1;
}

16.5. 编译运行

我们把代码下载到开发板命名为spi.c

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 sudo gcc spi.c -o spi_test
 sudo chmod 777 spi_test
 ./spi_test

效果如下图所示

未找到图片spi_show

16.6. spi oled实验

在代码仓库中提供了野火spi oled显示相关代码，鉴于文章长度，有兴趣的读者可查看相关源码。

spi oled相关资料

代码地址

如果要修改I2C的引脚可参考 spi设备树插件修改 小节

16.7. 参考资料

本文档主要提供有一定经验的使用者快速入门使用，详细资料可阅读以下文档：

《SPI通信》