Linux_应用篇(25) SPI 应用编程基础

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。

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