在嵌入式Linux系统中，SPI（Serial Peripheral Interface）是一种常用的同步串行通信协议，用于连接微控制器和各种外设，如传感器、存储器、显示器等。SPI使用四根线进行通信：MOSI（Master Out Slave In）、MISO（Master In Slave Out）、SCK（Serial Clock）和CS（Chip Select）。

SPI基础知识

1. 总线结构：

   • MOSI（Master Out Slave In）：主设备向从设备发送数据。
   • MISO（Master In Slave Out）：从设备向主设备发送数据。
   • SCK（Serial Clock）：由主设备生成，用于同步数据传输。
   • CS（Chip Select）：用于选择特定的从设备，每个从设备有一个独立的CS线。

2. 主从模式：

   • SPI采用主从模式，主设备控制时钟线，从设备根据主设备的时钟信号进行数据传输。
   • 可以有多达255个从设备连接到同一个主设备。

3. 数据传输：

   • 数据以字节为单位传输，通常为8位。
   • 数据传输速率可以非常高，通常可以达到几Mbps甚至更高。

嵌入式Linux中的SPI编程

在嵌入式Linux系统中，SPI设备通常通过设备文件 /dev/spidevX.Y 访问，其中 X 是SPI控制器编号，Y 是芯片选择编号。以下是一个详细的示例，展示如何在嵌入式Linux系统中进行SPI编程。

打开SPI设备

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

int open_spi_device(const char *device) {
    int fd = open(device, O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open the SPI device");
        return -1;
    }
    return fd;
}

设置SPI参数

int set_spi_parameters(int fd, uint8_t bits_per_word, uint32_t speed_hz, uint8_t mode) {
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits_per_word) < 0) {
        perror("Failed to set bits per word");
        return -1;
    }

    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed_hz) < 0) {
        perror("Failed to set max speed HZ");
        return -1;
    }

    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode) < 0) {
        perror("Failed to set mode");
        return -1;
    }

    return 0;
}

读取和写入数据

int spi_transfer(int fd, unsigned char *tx_buf, unsigned char *rx_buf, int len) {
    struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx_buf,
        .rx_buf = (unsigned long)rx_buf,
        .len = len,
        .speed_hz = speed_hz,
        .delay_usecs = delay,
        .bits_per_word = bits_per_word,
    };

    if (ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr) < 1) {
        perror("Failed to transfer data");
        return -1;
    }
    return 0;
}

示例程序

假设我们有一个SPI温度传感器，其地址为 /dev/spidev0.0，并且我们可以读取其寄存器中的温度数据。

int main() {
    const char *spi_device = "/dev/spidev0.0"; // 根据实际情况修改
    uint8_t bits_per_word = 8;
    uint32_t speed_hz = 1000000; // 1 MHz
    uint8_t mode = SPI_MODE_0;
    unsigned char tx_data[] = {0x01}; // 假设这是读取温度寄存器的命令
    unsigned char rx_data[2];

    // 打开SPI设备
    int fd = open_spi_device(spi_device);
    if (fd < 0) {
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 设置SPI参数
    if (set_spi_parameters(fd, bits_per_word, speed_hz, mode) < 0) {
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 进行SPI传输
    if (spi_transfer(fd, tx_data, rx_data, 2) < 0) {
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }

    // 解析温度数据
    int temperature = (rx_data[0] << 8) | rx_data[1];
    printf("Temperature: %d°C\n", temperature);

    // 关闭SPI设备
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}

注意事项

1. 设备文件路径：确保使用正确的设备文件路径，这取决于具体的硬件平台和配置。
2. 权限问题：访问SPI设备文件可能需要适当的权限，可以通过 sudo 或更改文件权限来解决。
3. 时序和速率：确保设置的时序和速率符合外设的要求，以避免通信错误。
4. 错误处理：在实际应用中，需要添加更多的错误处理逻辑，以提高系统的健壮性。
5. 模式选择：SPI有四种工作模式（SPI_MODE_0、SPI_MODE_1、SPI_MODE_2、SPI_MODE_3），具体模式需要根据外设的数据手册来确定。

通过以上步骤，你可以在嵌入式Linux系统中实现SPI通信，与各种外设进行数据交换。