Linux下树莓派spi编程
一、SPI协议介绍：
1、【SPI基础知识简介】
SPI全称是串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是由Motorola提出的一种全双工同步串行通信接口，通信波特率可以高达5Mbps，但具体速度大小取决于SPI硬件。SPI接口具有全双工操作，操作简单，数据传输速率较高的优点，但也存在没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据的缺点。SPI总线只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯:
SCLK：Serial Clock，（串行）时钟
MISO：Master In Slave Out，主设备输入，从设备输出
MOSI：Master Out Slave In，主设备输出，从设备输入
SS: Slave Select，选中从设备，片选，片选的其他别称[① CS(Chip Select)芯片选择、②CE(Chip Enable)芯片使能]
2、【SPI相关的缩写或说法】
先简单说一下，关于SPI中一些常见的说法：
SPI的极性Polarity和相位Phase，最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：
(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性
(2) CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位
(3) SCK=SCLK=SPI的时钟
(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)
对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：
Leading edge=前一个边沿=第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候；
Trailing edge=后一个边沿=第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候；
3、【SPI总线通信】
①、SPI是［单主设备(single-master )］通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。当SPI主设备想读/写［从设备］时，它首先拉低［从设备］对应的SS线（SS是低电平有效），接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，［主设备］把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”
②、SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响，SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。
如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；
如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平；
时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。
如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；
如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样；
4、【数据传输】
在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：
1) 主设备通过MOSI线发送1位数据，从设备通过该线读取这1位数据；
2) 从设备通过MISO线发送1位数据，主设备通过该线读取这1位数据。
这是通过移位寄存器来实现的。如图所示，主设备和从设备各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主设备寄存器和从机寄存器，并且依次移入从设备寄存器和主设备寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。
5、【内部工作机制】
SSPSR 是 SPI 设备内部的移位寄存器(Shift Register). 它的主要作用是根据 SPI 时钟信号状态, 往 SSPBUF 里移入或者移出数据, 每次移动的数据大小由Bus-Width 以及 Channel-Width 所决定。
二、树莓派40Pin引脚对照图：
三、本次SPI编程要实现的结果：
用排线短接树莓派的19脚和21脚，实现树莓派spi通信的自发自收
四、SPI编程实现：
1、编程思路：
①、使能内核SPI驱动模块抽象出spi设备
②、利用open系统调用打开spi设备 "/dev/spidev0.0"
③、利用ioctl设置spi设备各项参数
④、进行读写操作
2、实际操作与代码部分：
①、使能内核SPI驱动
pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config 弹出系统配置对话框，使能spi,重新启动树莓派,内核加载成功
重启之后可以确认系统已自动加载SPI驱动
pi@raspberrypi:~ $ ls /dev/spidev0.*
/dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1
这里抽象出两个spi接口设备，但树莓派只引出来一组spi(引脚19、21、23、24)，对应的设备文件为/dev/spidev0.0
②树莓派自发自收代码
/*********************************************************************************
* Copyright: (C) 2018 wangtao
* All rights reserved.
*
* Filename: spi_own.c
* Description: This file
*
* Version: 1.0.0(11/07/2018)
* Author: WangTao <TAlicer@163.com>
* ChangeLog: 1, Release initial version on "11/07/2018 17:15:56 PM"
*
********************************************************************************/#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "SPISet.h"int initSPI()
{int spiFd;spiFd=SPISetup(0,500000); //初始化SPI通道0，并设置为最大速度500000hzif(spiFd==-1){printf("init spi failed!\n");}
}int main()
{char tx_Data[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; //定义读写的数据char rx_Data[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};int i=0;initSPI(); //spi的初始化while(1){SPIDataRW(0,tx_Data,rx_Data,7); //向总线中写入7个数据printf("read spi_rx_data is:\n"); //读出总线的数据，引脚19与21短接打印【1,2,3,4,5,6,7,0,0,0】// 引脚19与21不短接打印【0,0,0,0,0,0,0,0,0,0】 for(i=0;i<10;i++){printf("%d\n",rx_Data[i]);}printf("\n");sleep(1);}return 0;
}/*********************************************************************************
* Copyright: (C) 2018 wangtao
* All rights reserved.
*
* Filename: SPISet.c
* Description: This file
*
* Version: 1.0.0(11/07/2018)
* Author: WangTao <TAlicer@163.com>
* ChangeLog: 1, Release initial version on "11/07/2018 17:15:56 PM"
*
********************************************************************************/#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <asm/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include "SPISet.h"static const char *spiDev0 = "/dev/spidev0.0" ;
static const char *spiDev1 = "/dev/spidev0.1" ;
static uint8_t spiBPW = 8 ;
static uint16_t spiDelay = 0 ;static uint32_t spiSpeeds [2] ;
static int spiFds [2] ;/*
* SPIDataRW:
* Write and Read a block of data over the SPI bus.
* Note the data ia being read into the transmit buffer, so will
* overwrite it!
* This is also a full-duplex operation.
*********************************************************************************
*********************************************************************************/
int SPIDataRW (int channel, unsigned char *tx_data, unsigned char *rx_data, int len)
{int i = 0;struct spi_ioc_transfer spi ;channel &= 1 ;memset (&spi, 0, sizeof (spi)) ;spi.tx_buf = (unsigned long)tx_data ;spi.rx_buf = (unsigned long)rx_data ;spi.len = len ;spi.delay_usecs = spiDelay ;spi.speed_hz = spiSpeeds [channel] ;spi.bits_per_word = spiBPW ;return ioctl (spiFds [channel], SPI_IOC_MESSAGE(1), &spi) ; //SPI_IOC_MESSAGE(1)的1表示spi_ioc_transfer的数量
}/*
* SPISetupMode:
* Open the SPI device, and set it up, with the mode, etc.
*********************************************************************************
*********************************************************************************/int SPISetupMode (int channel, int speed, int mode)
{int fd ;if ((fd = open (channel == 0 ? spiDev0 : spiDev1, O_RDWR)) < 0){printf("Unable to open SPI device: %s\n", strerror (errno)) ;return -1;}spiSpeeds [channel] = speed ;spiFds [channel] = fd ;/*
* 设置spi的读写模式：
* Mode 0： CPOL=0, CPHA=0
* Mode 1： CPOL=0, CPHA=1
* Mode 2： CPOL=1, CPHA=0
* Mode 3： CPOL=1, CPHA=1
* 这里我们默认设置为模式0
*********************************************************************************
*/if (ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode) < 0) { printf("Can't set spi mode: %s\n", strerror (errno)) ; return -1; } if (ioctl (fd, SPI_IOC_RD_MODE, &mode) < 0) { printf("Can't get spi mode: %s\n", strerror (errno)) ; return -1; } /*
* spi的读写bit/word设置可写
* 这里设置为8个位为一个字节
*********************************************************************************
*/if (ioctl (fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &spiBPW) < 0) { printf("Can't set bits per word: %s\n", strerror (errno)) ; return -1; } if (ioctl (fd, SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &spiBPW) < 0) { printf("Can't get bits per word: %s\n", strerror (errno)) ; return -1; } /*
* 设置spi读写速率
*********************************************************************************
*/if (ioctl (fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0){printf("Can't set max speed hz: %s\n", strerror (errno));return -1;}if (ioctl (fd, SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed) < 0){printf("Can't get max speed hz: %s\n", strerror (errno));return -1;}return fd ;
}/*
* SPISetup:
* Open the SPI device, and set it up, etc. in the default MODE 0
*********************************************************************************
*********************************************************************************/int SPISetup (int channel, int speed)
{return SPISetupMode (channel, speed, 0) ;
}/*********************************************************************************
* Copyright: (C) 2018 wangtao
* All rights reserved.
*
* Filename: SPISet.h
* Description: This file
*
* Version: 1.0.0(11/07/2018)
* Author: WangTao <TAlicer@163.com>
* ChangeLog: 1, Release initial version on "11/07/2018 17:15:56 PM"
*
********************************************************************************/#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endifint SPIDataRW (int channel, unsigned char *tx_data,unsigned char *rx_data, int len) ;
int SPISetupMode (int channel, int speed, int mode) ;
int SPISetup (int channel, int speed) ;#ifdef __cplusplus
}
#endif五、程序运行结果：
1、MISO与MOSI短接 2、MISO与MOSI未短接
关于Linux下ioctl的理解推荐这篇博客 https://www.cnblogs.com/tdyizhen1314/p/4896689.html
关于spi的ioctl的理解推荐这两篇博客 https://blog.csdn.net/borntox/article/details/51871480
http://www.cnblogs.com/sankye/p/3955630.html
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