Raspberry Pi SPI总线技术详解

Raspberry Pi SPI总线技术详解

documentation The official documentation for Raspberry Pi computers and microcontrollers 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/doc/documentation

概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，广泛应用于嵌入式系统中连接各种外设。Raspberry Pi系列计算机配备了多个SPI总线控制器，可用于连接显示器、网络控制器、UART等多种外设设备。

SPI硬件架构

各型号Raspberry Pi的SPI控制器配置

不同型号的Raspberry Pi配备了不同数量的SPI控制器：

• 基础型号（Zero、1、2、3）：

  • SPI0：2个硬件片选，所有型号都可用
  • SPI1：3个硬件片选（原始Model A/B除外）
  • SPI2：3个硬件片选（仅Compute Module 1/3/3+）

• 高级型号（4、400、Compute Module 4）：

  • 额外提供SPI3-SPI6总线，每条总线2个硬件片选
  • 这些额外SPI总线通过特定GPIO引脚的复用功能实现

引脚映射详解

SPI0标准映射（所有型号）

| SPI功能 | 引脚号 | Broadcom引脚名 | 功能定义 | |---------|--------|----------------|----------| | MOSI | 19 | GPIO10 | SPI0_MOSI| | MISO | 21 | GPIO09 | SPI0_MISO| | SCLK | 23 | GPIO11 | SPI0_SCLK| | CE0 | 24 | GPIO08 | SPI0_CE0_N| | CE1 | 26 | GPIO07 | SPI0_CE1_N|

SPI0替代映射（仅Compute Module）

Compute Module提供了另一组引脚用于SPI0功能，方便特殊应用场景下的布线。

SPI1映射（大多数型号可用）

SPI1提供了3个片选信号，适合连接多个SPI设备。

SPI3-SPI6（BCM2711专用）

这些新增的SPI总线为Raspberry Pi 4及更高版本提供了更丰富的外设连接能力。

SPI工作模式

主模式类型

1. 标准模式：

   • 使用三线制（SCLK、MOSI、MISO）
   • 最常见的SPI通信方式

2. 双向模式：

   • 使用单线数据线（MOMI）
   • 节省引脚资源但为半双工通信

3. LoSSI模式：

   • 专为LCD控制器设计
   • 9位传输格式（1位命令/数据标识+8位内容）

传输模式

• 轮询模式：CPU主动检查状态
• 中断模式：事件驱动，效率较高
• DMA模式：直接内存访问，最高效

时钟速度配置

SPI时钟速度由核心时钟分频得到：

SCLK = 核心时钟 / CDIV

其中CDIV必须为偶数，若设为0则使用65536分频。实际可用速度受电气特性限制，通常超过50MHz可能不稳定。

SPI软件支持

Linux驱动

默认使用spi-bcm2835驱动，支持以下特性：

• 模式支持：

  • 时钟极性和相位可配置
  • 片选高/低有效
  • 无片选模式（单设备）
  • 3线双向模式

• 数据位宽：

  • 标准8位模式
  • LCD专用的9位LoSSI模式

• 性能优化：

  • SPI0和SPI3-6支持DMA传输
  • 其他总线支持中断模式

启用配置

1. SPI0：

   • 默认禁用，需在config.txt中添加dtparam=spi=on
   • 可选择1或2个片选配置

2. SPI1：

   • 通过dtoverlay启用，支持1-3个片选
   • 示例：dtoverlay=spi1-2cs

3. 高级SPI总线：

   • 类似方式配置SPI2-SPI6

用户空间接口

spidev提供了用户空间访问SPI的接口：

• C语言：使用ioctl系统调用
• Python：通过spidev或SPI-Py库
• Shell：直接写入设备文件

示例Shell命令：

echo -ne "\x01\x02\x03" > /dev/spidev0.0

故障排查指南

回环测试

连接MOSI和MISO引脚进行自发自收测试：

1. 下载测试程序：

   wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/linux/rpi-6.1.y/tools/spi/spidev_test.c
   

2. 编译并运行：

   gcc -o spidev_test spidev_test.c
   ./spidev_test -D /dev/spidev0.0
   

3. 预期输出应显示发送和接收的数据匹配。

常见问题

1. 速度不稳定：

   • 检查线缆长度和质量
   • 降低时钟频率测试
   • 确保电源稳定

2. 通信失败：

   • 验证引脚连接正确
   • 检查设备树配置
   • 确认片选信号有效

3. 双向模式问题：

   • 确保正确设置SPI_3WIRE模式
   • 传输结构体中tx或rx必须为NULL

通过本文的详细说明，开发者可以充分利用Raspberry Pi的SPI接口能力，连接各种外设并实现高效通信。实际应用中应根据具体需求选择合适的模式和工作参数。

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