Linux_应用篇(25) SPI 应用编程基础_linuxspi编程

SPI基础知识

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步串行通信协议，广泛应用于微控制器和各种外围设备之间的数据传输。它由摩托罗拉公司在20世纪80年代开发，具有高速、全双工通信的特点，常用于传感器、存储器、显示器和音频设备等。

SPI的主要特点

1. 同步通信：使用一个主时钟线（SCLK）来同步数据传输。
2. 全双工通信：数据可以同时在两个方向上传输。
3. 多从设备支持：通过选择线（CS）来选择具体的从设备。
4. 高速传输：相比于I2C，SPI提供了更高的数据传输速率。

SPI协议的工作原理

SPI协议采用主从架构，通常由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。它主要包含四条信号线：
- SCLK（Serial Clock）：由主设备生成的时钟信号。
- MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据的信号线。
- MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据的信号线。
- CS（Chip Select）：从设备选择信号，低电平有效。

在Linux下使用SPI

Linux内核提供了对SPI设备的支持，通过SPIDEV接口可以方便地进行SPI设备的编程。以下是一些基本的SPI编程步骤。

创建SPI设备

在使用SPI设备之前，需要在系统中创建相应的设备节点。通常，设备节点会自动创建在`/dev`目录下，例如`/dev/spidev0.0`表示SPI总线0上的设备0。

配置SPI设备

使用ioctl系统调用来配置SPI设备的通信参数，例如时钟频率、数据模式和字长。常用的ioctl命令包括：

- SPI_IOC_WR_MODE：设置SPI模式（0-3），包括：
  - SPI_MODE_0：CPOL=0, CPHA=0
  - SPI_MODE_1：CPOL=0, CPHA=1
  - SPI_MODE_2：CPOL=1, CPHA=0
  - SPI_MODE_3：CPOL=1, CPHA=1

- SPI_IOC_RD_MODE：读取当前SPI模式。

- SPI_IOC_WR_LSB_FIRST：设置数据传输顺序，LSB（最低有效位）优先。
- SPI_IOC_RD_LSB_FIRST：读取数据传输顺序。

- SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD：设置每个字的位数（通常为8）。
- SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD：读取每个字的位数。

- SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ：设置SPI时钟频率。
- SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ：读取SPI时钟频率。

配置示例

以下是一个配置SPI设备的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
 
int main() {
    int fd;
    uint8_t mode = SPI_MODE_0;
    uint32_t speed = 500000;
    uint8_t bits = 8;
    uint8_t lsb_first = 0;
 
    fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open SPI device");
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode) < 0) {
        perror("Failed to set SPI mode");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0) {
        perror("Failed to set SPI speed");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits) < 0) {
        perror("Failed to set SPI bits per word");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &lsb_first) < 0) {
        perror("Failed to set LSB first");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}

读写SPI数据

SPI通信使用read和write系统调用进行数据传输。以下是一个简单的SPI数据发送和接收的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
 
int main() {
    int fd;
    uint8_t tx[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF};
    uint8_t rx[4] = {0, };
    struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx,
        .rx_buf = (unsigned long)rx,
        .len = sizeof(tx),
        .speed_hz = 500000,
        .delay_usecs = 0,
        .bits_per_word = 8,
    };
 
    fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open SPI device");
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    if (ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr) < 0) {
        perror("Failed to send SPI message");
        close(fd);
        return EXIT_FAILURE;
    }
 
    for (int i = 0; i < sizeof(rx); i++) {
        printf("Received byte: 0x%02X\n", rx[i]);
    }
 
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}

总结

SPI作为一种高效的同步串行通信协议，在嵌入式系统中有着广泛的应用。在Linux系统中，利用SPIDEV接口，可以方便地进行SPI设备的编程，实现各种数据传输和设备控制。通过对SPI设备的配置、数据传输和实际应用的示例，我们可以更好地理解和掌握SPI在Linux下的应用编程。