SPI 驱动开发

1. 概述

1.1 功能简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速同步串行通信接口，采用全双工、主从架构。RK3576 内置多路 SPI 控制器，支持主模式和从模式，适用于连接 Flash、LCD、ADC 等高速外设。M4-R2 底板 40PIN 引脚提供 SPI 接口（Pin19 MOSI、Pin21 MISO、Pin23 SCLK、Pin24 CE0、Pin26 CE1）。

1.2 应用场景

Flash 存储：连接 SPI NOR Flash / SPI NAND Flash
LCD 显示：SPI 接口的 TFT LCD 屏
ADC/DAC：高速 ADC 采样数据读取
传感器：SPI 接口的加速度计、磁力计等
无线模块：SPI 接口的 LoRa、ZigBee 模块

1.3 工作原理

SPI 采用四线制：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。RK3576 的 SPI 控制器支持以下模式：

模式	CPOL	CPHA	说明
Mode 0	0	0	时钟空闲低，第一个沿采样
Mode 1	0	1	时钟空闲低，第二个沿采样
Mode 2	1	0	时钟空闲高，第一个沿采样
Mode 3	1	1	时钟空闲高，第二个沿采样

详见 RK 官方文档：[《Rockchip_Developer_Guide_Linux_Software_CN.pdf》]

2. 硬件准备

2.1 硬件清单

组件	型号/规格	数量	备注
主控板	C-3576BQ 核心板 + M4-R2 底板	1
调试串口线	USB 转 TTL（3.3V）	1	波特率 1500000
SPI Flash	W25Q128（16MB）	1	或其他 SPI NOR Flash
杜邦线	母对母	若干

2.2 引脚连接

以 M4-R2 底板 40PIN 的 SPI 接口为例：

主控板引脚	外设引脚	功能说明
MOSI（40PIN Pin19，GPIO3_A1）	Flash DI	主出从入
MISO（40PIN Pin21，GPIO3_A2）	Flash DO	主入从出
SCLK（40PIN Pin23，GPIO3_A0）	Flash CLK	SPI 时钟
CE0（40PIN Pin24，GPIO3_A3）	Flash CS	片选（低有效）
CE1（40PIN Pin26，GPIO2_D7）	Flash CS	片选（低有效）
3.3V	Flash VCC	电源
GND（40PIN Pin9）	Flash GND	共地

40PIN 的 SPI 引脚定义（S-01）：Pin19 MOSI=GPIO3_A1、Pin21 MISO=GPIO3_A2、Pin23 SCLK=GPIO3_A0、Pin24 CE0=GPIO3_A3、Pin26 CE1=GPIO2_D7。实际操作时应选择未被其他功能占用的 SPI 总线，详细引脚位置见 40PIN 引脚定义。

2.3 硬件确认

# 确认 SPI 总线是否存在
ls /dev/spidev*
# 输出示例：/dev/spidev0.0

# 查看 SPI 控制器信息
cat /sys/class/spi_master/spi0/name
# 输出：rk3x-spi

3. 软件准备

3.1 内核配置

确认以下内核配置已启用：

CONFIG_SPI=y
CONFIG_SPI_MASTER=y
CONFIG_SPI_ROCKCHIP=y
CONFIG_SPI_SPIDEV=y
CONFIG_OF=y
CONFIG_OF_SPI=y

CONFIG_SPI_ROCKCHIP 是 Rockchip SPI 控制器驱动。CONFIG_SPI_SPIDEV 提供用户空间访问接口。

3.2 设备树

RK3576 的 SPI 控制器在设备树中定义（以下为 RK 平台通用结构示例）：

spi1: spi@fe610000 {
    compatible = "rockchip,rk3576-spi", "rockchip,rk3066-spi";
    reg = <0x0 0xfe610000 0x0 0x1000>;
    clocks = <&cru CLK_SPI1>, <&cru PCLK_SPI1>;
    clock-names = "spiclk", "apb_pclk";
    interrupts = <GIC_SPI 52 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&spi1m1_cs0 &spi1m1_pins>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    status = "disabled";
};

以上寄存器基地址、中断号与时钟标识为 RK 平台通用结构示例，具体数值以实际发布的 RK3576 SDK 设备树为准（待板上确认）。

4. 操作步骤

4.1 使用 spidev 测试 SPI

4.1.1 设备树配置 spidev

&spi1 {
    status = "okay";
    max-freq = <10000000>;  // 10MHz
    spi-dev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <10000000>;
    };
};

4.1.2 读写 SPI 设备

# 查看 SPI 设备
ls /dev/spidev1.*
# 输出：/dev/spidev1.0

# 使用 spi-tools 测试（需安装）
apt-get install spi-tools

# 读取 SPI Flash ID（发送 0x9F 命令）
spi-pipe -d /dev/spidev1.0 -b 8 -r 3 -s 1000000 < /dev/null | xxd

4.2 SPI Flash 操作

# 使用 flashrom 读取 SPI Flash
flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev1.0 -r backup.bin

# 使用 flashrom 写入固件
flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev1.0 -w firmware.bin

# 使用 mtd-utils 操作 MTD 设备
flash_erase /dev/mtd0 0 0
nandwrite -p /dev/mtd0 firmware.bin

4.3 设备树中挂载 SPI 设备

&spi1 {
    status = "okay";
    max-freq = <50000000>;  // 50MHz

    spi_flash: flash@0 {
        compatible = "jedec,spi-nor";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <50000000>;
        m25p,fast-read;
    };
};

5. 代码详解

5.1 内核中 SPI 驱动的注册

// RK3576 SPI 控制器驱动（简化）
// drivers/spi/spi-rk3x.c

static struct platform_driver rk3x_spi_driver = {
    .probe  = rk3x_spi_probe,
    .remove = rk3x_spi_remove,
    .driver = {
        .name = "rk3x-spi",
        .of_match_table = rk3x_spi_match,
    },
};

static const struct of_device_id rk3x_spi_match[] = {
    { .compatible = "rockchip,rk3576-spi" },
    { /* sentinel */ }
};

5.2 用户空间 SPI 操作的内核调用链

用户空间 open(/dev/spidev1.0)
  → spidev_open()
    → spi_setup()
      → rk3x_spi_setup()
        → 配置 SPI 模式、时钟、字长

用户空间 write()
  → spidev_write()
    → spi_sync_transfer()
      → rk3x_spi_transfer_one()
        → 设置 SPI 寄存器，发起传输

6. 常见问题

6.1 SPI 设备无响应

现象： 读取 SPI Flash ID 返回 0xFF

解决方案：

# 检查 SPI 时钟是否正确配置
cat /sys/kernel/debug/clk/clk_spi1/clk_rate

# 检查 CS 引脚是否正确拉低
cat /sys/kernel/debug/gpio | grep spi

检查硬件连接（MOSI/MISO 是否交叉）、CS 片选是否正确、SPI 模式是否匹配。

6.2 SPI 传输数据错误

现象： 读取的数据与预期不符

解决方案：

# 使用逻辑分析仪抓取 SPI 波形
# 确认 CPOL、CPHA 模式是否正确
# 检查字节序（MSB/LSB first）

调整 SPI 模式（Mode 0~3），确认字节序设置正确。

6.3 SPI 时钟频率不正确

现象： SPI 实际时钟频率与配置不符

解决方案：

# 查看 SPI 实际时钟频率
cat /sys/kernel/debug/clk/clk_spi1/clk_rate

SPI 时钟由 APB 时钟分频得到，检查分频寄存器配置。