在Linux用户态操作SPI接口的优选方法

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在嵌入式Linux开发中，SPI作为常用的高速同步串行通信协议，广泛应用于传感器、存储芯片、显示模块等外设交互场景。Linux内核提供了多种SPI访问方式，其中spidev框架凭借其用户空间直接操作的便捷性，成为快速开发与调试SPI外设的优选方案。本文将详细讲解如何通过spidev在Linux用户空间实现SPI通信。

一、spidev框架简介

Linux SPI框架支持内核态驱动开发与用户态直接访问两种模式。spidev框架的核心价值在于允许开发人员无需编写内核驱动，直接通过用户空间接口控制SPI外设，极大简化了SPI通信的开发与调试流程。其核心优势包括：

• 无需深入内核驱动开发，降低技术门槛；
• 支持全双工/半双工通信、多种SPI模式配置；
• 可灵活调整通信速率、数据位宽等参数；
• 兼容Linux标准文件操作接口（open/read/write/ioctl）。

二、硬件环回测试（MOSI/MISO短路）

在进行软件配置前，建议通过硬件环回测试验证SPI总线的物理连通性，该方法可快速排查硬件故障（如引脚连接、电平匹配等问题）。

2.1 测试原理

将SPI总线的MOSI（主机输出/从机输入）与MISO（主机输入/从机输出）引脚短接，形成数据回路。主机发送的数据会通过MOSI引脚直接反馈至MISO引脚，若接收数据与发送数据一致，则说明SPI总线硬件正常。

三、设备树（DT）与内核配置

要让Linux系统识别SPI外设并支持spidev访问，需完成两项核心配置：内核启用spidev支持、设备树描述SPI外设信息。

3.1 内核配置

启用用户态SPI设备驱动支持，步骤如下：

1. 进入Linux内核源码目录，执行make menuconfig打开配置菜单；
2. 导航至Device Drivers → SPI support → User mode SPI device driver support；
3. 勾选该选项（配置为y或m，y表示编译进内核，m表示编译为模块）；
4. 保存配置并重新编译内核（或模块），更新开发板内核镜像。

3.2 设备树配置

设备树需明确描述SPI控制器、引脚配置、通信参数等信息，使内核能够正确识别并暴露spidev接口。

• 启用SPI控制器（设置status = "okay"）；
• 配置引脚复用（指定pinctrl节点，对应SPI功能引脚）；
• 添加spidev子节点（兼容属性为"rohm,dh2228fv"或通用"spidev"）；
• 配置通信参数（如最大通信速率spi-max-frequency）。

&spi4 {    pinctrl-names = "default", "sleep";  // 引脚状态配置（默认/休眠）    pinctrl-0 = <&spi4_pins_a>;         // 默认状态引脚配置    pinctrl-1 = <&spi4_sleep_pins_a>;   // 休眠状态引脚配置    status = "okay";                    // 启用spi4控制器    spidev@0{        compatible = "rohm,dh2228fv";   // 兼容属性（支持spidev框架）        reg = <0>;                      // 从设备地址（SPI片选信号对应，环回测试无实际意义）        spi-max-frequency = <4000000>;  // 最大通信速率4MHz    };};

配置说明

• pinctrl-names与pinctrl-0/1：指定SPI引脚在不同状态下的复用配置，需与开发板引脚定义一致；
• reg = <0>：对应SPI片选信号（CS）的索引，若系统中有多个SPI从设备，需通过该参数区分；
• spi-max-frequency：根据外设规格调整，需不超过SPI控制器与外设的最大支持速率。

配置完成后，重新编译设备树（make dtbs），并将生成的.dtb文件更新至开发板。

四、基于spidev_test的SPI单元测试

spidev_test是Linux内核提供的官方测试工具，支持全双工/半双工传输、速率配置、模式切换等功能，可快速验证spidev接口的可用性。

4.1 工具获取与编译

Linux内核源码中已包含spidev_test，无需额外下载：

4.2 核心选项说明

执行./spidev_test -h可查看所有支持的选项，核心参数分类如下：

速率适配：默认通信速率为500KHz，若系统时钟配置不支持该速率（SPI控制器最大速率为输入时钟的1/256），需通过-s选项指定合法速率（如-s 4000000表示4MHz）；

4.3 32字节全双工环回测试

结合前文的硬件环回配置，执行以下命令进行测试：

./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -v -l

4.3.1 命令解析

• -D /dev/spidev0.0：指定SPI设备节点（需与设备树配置对应，可通过ls /dev/spidev*查看系统中存在的节点）；
• -v：启用详细模式，打印传输参数与数据缓冲区；
• -l：启用环回模式（与硬件MOSI/MISO短接配合）。

4.3.2 预期输出

spi mode: 0x0bits per word: 8max speed: 500000 Hz (500 KHz)TX | FF FF FF FF FF FF 40 00 00 00 00 95 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 0D  | ......@.... .................. .RX  | FF FF FF FF FF FF 40 00 00 00 00 95 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 0D  | ......@.... .................. .

若TX（发送）与RX（接收）数据完全一致，说明SPI总线与spidev配置均正常。

4.4 注意事项

• 速率适配：默认通信速率为500KHz，若系统时钟配置不支持该速率（SPI控制器最大速率为输入时钟的1/256），需通过-s选项指定合法速率（如-s 4000000表示4MHz）；
• 模式匹配：若外设要求特定的CPOL/CPHA组合（如SPI模式1、2、3），需通过-O（CPOL）和-H（CPHA）选项配置；
• 数据位宽：默认每字8位，若外设支持其他位宽（如16位），通过-b选项指定（如-b 16）。

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来源：嵌入式情报局