7. SPI 使用

SPI（Serial Peripheral Interface） 是一种常见的同步串行通信协议，用于微控制器（MCU）与外部设备之间的数据交换。它由 Motorola 在 1980 年代初期提出，并广泛应用于各种嵌入式系统中，如传感器、显示器、存储设备等。

7.1 SPI 通讯的工作原理

SPI 协议使用主从架构（Master-Slave），由一个主设备控制一个或多个从设备进行数据交换。它的工作原理主要包括四个信号线和时序控制：

1. 信号线

• MOSI (Master Out Slave In): 主设备发送数据到从设备的数据线。
• MISO (Master In Slave Out): 从设备发送数据到主设备的数据线。
• SCK (Serial Clock): 由主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
• SS/CS (Slave Select/Chip Select): 主设备选择要通信的从设备。当 SS 线低电平时，表示选择了一个从设备进行通信。

2. 数据传输

• 同步传输：数据在时钟信号的控制下同步传输。每次时钟脉冲传输一个比特，数据通过 MOSI 或 MISO 线传输。
• 全双工通信：SPI 是全双工通信协议，意味着主设备和从设备可以同时进行数据发送和接收。

3. 时钟极性与相位

• 时钟极性（CPOL）：时钟线的电平状态（高或低）决定了数据传输的时机。
• 时钟相位（CPHA）：数据的采样时机，通常是时钟脉冲的上升沿或下降沿。
• SPI 协议支持四种不同的时钟配置（CPOL 和 CPHA 的组合），这使得它能与不同的外设兼容。

7.2 SPI 使用实例

7.2.1 spi引脚

ArmSoM系列板子40pin上都有SPI外设，以下以 Sige5 为例子，Sige5 40PIN定义

SPI	引脚	功能
SPI4_MOSI_M0	19	用于主设备（Master）向从设备（Slave）发送数据。
SPI4_MISO_M0	21	用于从设备向主设备发送数据
SPI4_CLK_M0	23	由主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输
SPI4_CSN0_M0	24	用于选择特定的从设备进行通信

7.2.2 使能SPI通信接口

SPI接口在默认情况是关闭状态的，需要使能才能使用

在 Armbian 操作系统中，/boot/armbianEnv.txt 文件用于配置系统启动时的参数和设备树插件。你可以通过编辑该文件来启用或禁用 SPI 设备树插件，确保 SPI 总线可以在启动时正确加载。

如果你希望检查或启用 SPI 相关设备树插件，可以按照以下步骤操作：

• 查看设备树插件配置

打开文件： 通过终端打开 /boot/armbianEnv.txt 文件，使用文本编辑器如 nano 或 vim，例如：

root@armsom-sige5:/home/armsom# sudo nano /boot/armbianEnv.txt

这里以激活 spi4-m0 为例，将 rk3576-spi4-m0-cs1-spidev 打开如下:

overlays=rk3576-spi4-m0-cs1-spidev

其中 overlays 行指定了设备树覆盖（Device Tree Overlay），如果没有这些内容，你可以手动添加。

编辑完成后，保存文件并退出编辑器 重启系统使配置生效：

// 先执行sync
root@armsom-sige5:/home/armsom# sync
root@armsom-sige5:/home/armsom# sudo reboot

提示

• Q: 如果直接拔掉电源进行重启，是否可能导致文件未修改或 overlay 系统启动失败？
• A: 当直接拔掉电源或强制关机时，可能会出现文件未能及时从内存（RAM）同步到存储设备（如硬盘、SSD）的情况。这是因为操作系统通常会将数据暂存于内存中，并定期将这些数据写入磁盘。为避免此问题，建议在关机前执行 “sync” 命令，确保所有数据已写入磁盘，再拔掉电源或关机。

• 验证 SPI 是否启用

使能spi设备树插件之后重新启动板卡，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spidev3.0,如果使用了rk3576-spi3-m0.dtbo就会出现 spidev3.0

armsom@armsom-sige5:~$ ls /dev/spi*
/dev/spidev4.1

7.3 回环测试

根据 ioctl 相关参数，可以编写 SPI 测试程序。为了简单起见，本示例仅进行 SPI 回环测试。在进行测试时，只需将 ArmSoM-Sige5 板卡上的 SPI4 的 MISO 和 MOSI 引脚（板卡上的 19 号和 21 号引脚）通过跳线帽进行短接即可实现回环测试。

通过这种方式，发送的数据可以直接回传，方便验证 SPI 功能是否正常。

测试代码：

#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <linux/spi/spidev.h>

#define SPI_DEV_PATH "/dev/spidev4.1"

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

int fd;                                     // SPI 控制引脚的设备文件描述符
static unsigned  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 = 10000000;           // 发送速度
static uint16_t delay = 0;                      // 保存延时时间

// SPI 数据传输函数
void 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,
        .tx_nbits = 1,
        .rx_nbits = 1
    };

    // 执行 SPI 传输
    ret = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);
    if (ret < 1)
        perror("SPI transfer failed");
}

// SPI 初始化函数
void spi_init(int fd)
{
    int ret;

    // 设置 SPI 工作模式
    ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE32, &mode);
    if (ret == -1)
        perror("Can't set SPI mode");

    // 设置每个字节的位数
    ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);
    if (ret == -1)
        perror("Can't set bits per word");

    // 设置最大速度
    ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);
    if (ret == -1)
        perror("Can't set max speed");

    // 打印配置
    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);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s [device_path]\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 打开 SPI 设备
    fd = open(argv[1], O_RDWR); // 打开文件并启用读写
    if (fd < 0) {
        perror("Can't open SPI device");
        return -1;
    }

    // 初始化 SPI 配置
    spi_init(fd);

    // 清空接收缓冲区
    memset(rx_buffer, 0, sizeof(rx_buffer));

    // 执行数据发送和接收
    transfer(fd, tx_buffer, rx_buffer, sizeof(tx_buffer));

    // 打印发送和接收的缓冲区内容
    printf("TX Buffer: %s\n", tx_buffer);
    printf("RX Buffer: %s\n", rx_buffer);

    // 关闭设备
    close(fd);

    return 0;
}

7.3.1 编译运行

#编译
armsom@armsom-sige5:~$ gcc spi_selftest.c -o spi_selftest
#运行
armsom@armsom-sige5:~$ sudo ./spi_selftest /dev/spidev4.1 // 短接
SPI Mode: 0x2
Bits per word: 8
Max speed: 10000000 Hz (10000 KHz)
TX Buffer: hello the world !  ArmSoM is awesome!
RX Buffer: hello the world !  ArmSoM is awesome!
armsom@armsom-sige5:~$ sudo ./spi_selftest /dev/spidev4.1 //未短接
SPI Mode: 0x2
Bits per word: 8
Max speed: 10000000 Hz (10000 KHz)
TX Buffer: hello the world !  ArmSoM is awesome!
RX Buffer: ▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒

7.4 常见问题

7.4.1 SPI ⽆信号

• 调试前确认驱动有跑起来
• 确保 SPI 4 个引脚的 IOMUX 配置⽆误
• 确认 TX 送时，TX 引脚有正常的波形，CLK 有正常的 CLOCK 信号，CS 信号有拉低
• 如果 clk 频率较⾼，可以考虑提⾼驱动强度来改善信号
• 如何简单判断 SPI DMA 是否使能，串口打印如⽆以下关键字则 DMA 使能成功

[ 0.457137] Failed to request TX DMA channel
[ 0.457237] Failed to request RX DMA channel

7.4.2 延迟采样时钟配置⽅案

对于 SPI io 速率较⾼的情形，正常 SPI mode 可能依旧⽆法匹配外接器件输出延时，RK SPI master read 可能⽆法采到有效数据，需要启⽤ SPI rsd 逻辑来延迟采样时钟。RK SPI rsd（read sample delay）控制逻辑有以下特性：

• 可配值为 0，1，2，3
• 延时单位为 1 spi_clk cycle，即控制器⼯作时钟，详⻅ "SPI 设备配置章节“

rx-sample-delay 实际延时为 dts 设定值最接近的 rsd 有效值为准，以 spi_clk 200MHz，周期 5ns 为例： rsd 实际可配延迟为 0，5ns，10ns，15ns，rx-sample-delay 设定 12ns，接近有效值 10ns，所以最终为 10ns延时。

7.4.3 SPI 传输速率及 CPU 占⽤率⾼优化⽅向

通常 SPI 传输速率慢、IO ⾼负载下 CPU 占⽤率⾼的原因是因为：SPI 传输粒度小，且传输次数多，频繁发起传输从而涉及较多的调度，例如：

• SPI 线程调度
• 中断调度，参考 “SPI 传输⽅式说明” 章节先确认是否使⽤到中断传输
• CPU idle 调度

建议优化⽅向：

1. 开启 auto runtime，延时设置为 500ms，具体值以实测为准，修改点为 dts 节点添加rockchip,autosuspend-delay-ms 属性

2. 降低 CPU 负载：改⽤ IRQ 传输，相对 DMA 可能会有优势，补丁参考 “改为 IRQ 传输” 小节

3. 降低 CPU 负载：如为 DMA 传输，可修改 TX DMA ⽔线来降低 CPU 在 DMA 回调函数中等待 fifo 传输完成的时间