Linux SPI子系统初始化与运行流程详解
Linux SPI子系统初始化与运行流程详解
以下是Linux SPI子系统从设备树解析到驱动匹配、数据传输的完整流程，包含详细调用链和树状结构：
一、SPI子系统初始化整体流程图
[系统启动阶段]
└───> [内核初始化]
└─── start_kernel()
└─── rest_init()
└─── kernel_init()
└─── init_post()
└─── do_basic_setup()
└─── driver_init()
└─── spi_init() [drivers/spi/spi.c]
├─── bus_register(&spi_bus_type)
│ ├─── 注册SPI总线类型
│ ├─── 初始化匹配、probe、remove回调
│ └─── 创建/sys/bus/spi目录
│
├─── class_register(&spi_master_class)
│ ├─── 注册SPI主设备类
│ └─── 创建/sys/class/spi_master目录
│
└─── spi_register_driver(&spi_bitbang_driver)
└─── 注册位操作SPI驱动框架
└─── 支持纯软件模拟SPI时序
│
└───> [设备树解析阶段]
├─── of_scan_flat_dt()
│ └─── 扫描扁平设备树结构
│ └─── early_init_dt_scan_nodes()
│ └─── 遍历所有设备树节点
│ └─── of_scan_flat_dt_subnodes()
│ └─── 递归解析子节点
│ └─── __of_scan_flat_dt()
│ └─── of_scan_flat_dt_node()
│ └─── 处理单个设备树节点
│ └─── of_platform_populate()
│ ├─── 转换设备树为platform_device
│ └─── of_platform_bus_create()
│ └─── 递归创建总线和设备
│ └─── of_platform_device_create_pdata()
│ └─── 为SPI控制器创建platform_device
│ ├─── 解析reg、interrupts等属性
│ └─── platform_device_register()
│ └─── 将设备添加到platform总线
│ └─── 触发总线匹配逻辑
│ │
│ └───> [SPI控制器驱动匹配阶段]
│ ├─── platform_driver_register()
│ │ └─── 注册SPI控制器驱动
│ │ └─── spi_gpio_driver_init() [示例:GPIO模拟SPI控制器]
│ │ └─── 初始化GPIO模拟SPI驱动
│ │ └─── 设置platform_driver的probe函数
│ │ └─── spi_gpio_probe()
│ │ ├─── spi_alloc_master(dev, sizeof(struct spi_gpio))
│ │ │ └─── 分配并初始化spi_master结构体
│ │ │ ├─── 设置master->dev.parent = &pdev->dev
│ │ │ ├─── 分配私有数据空间
│ │ │ └─── 初始化基本参数
│ │ │
│ │ ├─── 初始化spi_master操作函数
│ │ │ ├─── master->transfer = spi_gpio_transfer
│ │ │ ├─── master->setup = spi_gpio_setup
│ │ │ └─── 设置其他回调函数
│ │ │
│ │ ├─── 配置SPI控制器硬件
│ │ │ ├─── 配置GPIO方向和初始状态
│ │ │ ├─── 设置时钟极性和相位
│ │ │ └─── 配置片选控制方式
│ │ │
│ │ └─── spi_register_master(master)
│ │ └─── 注册spi_master到内核
│ │ ├─── device_register(&master->dev)
│ │ │ └─── 注册为内核设备
│ │ │ ├─── 创建/sys/class/spi_master/spiX目录
│ │ │ └─── 触发uevent通知
│ │ │
│ │ ├─── spi_match_master_to_boardinfo(master)
│ │ │ └─── 匹配预注册的spi_board_info
│ │ │
│ │ └─── spi_master_setup_devices(master)
│ │ └─── 从设备树创建设备
│ │ │
│ │ └───> [SPI设备创建阶段]
│ │ ├─── of_spi_register_devices(master)
│ │ │ └─── 从设备树解析SPI设备
│ │ │ ├─── 遍历SPI控制器的子节点
│ │ │ └─── 为每个子节点创建spi_device
│ │ │
│ │ ├─── of_spi_match_device(master, node)
│ │ │ └─── 验证设备节点与控制器兼容性
│ │ │
│ │ ├─── spi_new_device(master, info)
│ │ │ ├─── alloc_spi_device(master)
│ │ │ │ └─── 分配spi_device结构体
│ │ │ │ ├─── 设置device.parent = &master->dev
│ │ │ │ └─── 初始化基本参数
│ │ │ │
│ │ │ ├─── of_spi_parse_dt(master, dev, node)
│ │ │ │ └─── 解析设备树属性
│ │ │ │ ├─── dev->max_speed_hz = 提取spi-max-frequency
│ │ │ │ ├─── dev->mode = 提取spi-cpol/spi-cpha
│ │ │ │ ├─── dev->chip_select = 提取片选信息
│ │ │ │ └─── 提取其他SPI相关属性
│ │ │ │
│ │ │ └─── device_add(&dev->dev)
│ │ │ └─── 将设备添加到SPI总线
│ │ │ ├─── 创建/sys/bus/spi/devices/spiX.Y目录
│ │ │ └─── 触发总线匹配逻辑
│ │ │ │
│ │ │ └───> [SPI设备与驱动匹配阶段]
│ │ │ ├─── bus_probe_device(&dev->dev)
│ │ │ │ └─── 触发总线探测设备
│ │ │ │
│ │ │ ├─── device_attach(&dev->dev)
│ │ │ │ └─── 尝试为设备寻找驱动
│ │ │ │
│ │ │ ├─── bus_for_each_drv(&spi_bus_type, NULL, &data, __device_attach)
│ │ │ │ └─── 遍历SPI总线上所有驱动
│ │ │ │
│ │ │ ├─── __device_attach(drv, data)
│ │ │ │ └─── 检查单个驱动是否匹配
│ │ │ │
│ │ │ ├─── driver_match_device(drv, dev)
│ │ │ │ └─── 调用SPI总线的匹配函数
│ │ │ │ └─── spi_match_device(drv, dev)
│ │ │ │ └─── 执行SPI设备匹配逻辑
│ │ │ │ ├─── 检查driver的id_table
│ │ │ │ └─── 检查driver的of_match_table
│ │ │ │ └─── 与设备树compatible属性比较
│ │ │ │ │
│ │ │ │ └───> [匹配成功:触发驱动probe]
│ │ │ │ ├─── driver_probe_device(drv, dev)
│ │ │ │ │ └─── 调用驱动的probe函数
│ │ │ │ │
│ │ │ │ ├─── really_probe(dev, drv)
│ │ │ │ │ ├─── 检查驱动是否支持该设备
│ │ │ │ │ ├─── 获取设备锁
│ │ │ │ │ ├─── 调用drv->probe(dev)
│ │ │ │ │ └─── 完成probe后的清理工作
│ │ │ │ │
│ │ │ │ └─── drv->probe(dev)
│ │ │ │ └─── oled_probe() [示例:OLED设备驱动]
│ │ │ │ ├─── 分配和初始化设备私有数据
│ │ │ │ │ └─── dev_get_drvdata(dev) = kzalloc(sizeof(struct oled_data), GFP_KERNEL)
│ │ │ │ │
│ │ │ │ ├─── spi_setup(dev)
│ │ │ │ │ └─── 配置SPI传输参数
│ │ │ │ │ ├─── 设置传输位宽
│ │ │ │ │ ├─── 设置时钟频率
│ │ │ │ │ └─── 确认SPI模式
│ │ │ │ │
│ │ │ │ ├─── 硬件初始化序列
│ │ │ │ │ ├─── 复位OLED控制器
│ │ │ │ │ ├─── 发送初始化命令
│ │ │ │ │ └─── 配置显示参数
│ │ │ │ │
│ │ │ │ ├─── 创建sysfs属性
│ │ │ │ │ └─── device_create_file(dev, &dev_attr_brightness)
│ │ │ │ │
│ │ │ │ └─── 注册字符设备或其他接口
│ │ │ │ ├─── alloc_chrdev_region()
│ │ │ │ ├─── cdev_init()
│ │ │ │ ├─── cdev_add()
│ │ │ │ └─── class_create()
│ │ │ │ └─── 完成后用户空间可见/dev/spidevX.Y
│ │ │ │
│ │ │ └───> [匹配失败:设备未绑定驱动]
│ │ │ └─── 设备保持未驱动状态
│ │ │ └─── 可通过/sys/bus/spi/drivers_probe手动绑定
│ │ │
│ │ └───> [SPI设备就绪:可进行数据传输]
│ │ ├─── 用户空间打开设备文件
│ │ │ └─── open("/dev/spidevX.Y", O_RDWR)
│ │ │
│ │ ├─── 通过ioctl配置SPI参数
│ │ │ ├─── SPI_IOC_WR_MODE: 设置SPI模式
│ │ │ ├─── SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ: 设置最大速率
│ │ │ └─── 其他配置选项
│ │ │
│ │ └─── 通过read/write/ioctl进行数据传输
│ │ ├─── write(): 发送数据
│ │ ├─── read(): 接收数据
│ │ └─── ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(N), ...): 批量传输
│ │ └─── 构建并发送spi_message
│ │ └─── 调用spi_sync()或spi_async()
│ │ └─── 最终调用master->transfer()完成实际传输
二、SPI设备树解析与spi_device创建流程
of_spi_register_devices()
→ spi_new_device()
→ device_add()
→ bus_probe_device()
→ device_attach()
→ driver_match_device()
→ spi_match_device()
→ of_match_device()
→ really_probe()
→ oled_probe()
→ spi_setup()
→ 硬件初始化
→ 注册字符设备
[设备树解析阶段]
└───> [解析SPI控制器节点]
├─── of_find_node_by_path("/spi@12340000")
│ └─── 解析SPI控制器属性(compatible, reg, interrupts等)
│
└───> [解析SPI设备子节点]
├─── of_get_next_child()
│ └─── 遍历所有SPI设备子节点
│
└───> [为每个SPI设备创建spi_device]
├─── of_spi_register_devices()
│ ├─── of_spi_match_device()
│ ├─── spi_new_device()
│ │ ├─── alloc_spi_device()
│ │ ├─── 解析设备树属性到spi_device
│ │ │ ├─── spi_device->max_speed_hz
│ │ │ ├─── spi_device->mode
│ │ │ └─── spi_device->chip_select
│ │ │
│ │ └─── device_add()
│ │ └─── bus_probe_device()
│ │ └─── device_attach()
│ │ └─── bus_for_each_drv()
│ │ └─── __device_attach()
│ │ └─── driver_match_device()
│ │ └─── spi_match_device()
│ │ └─── of_match_device()
│ │
│ └─── spi_drv_probe()
│ └─── driver_probe_device()
│ └─── really_probe()
│ └─── driver->probe() [调用spi_driver的probe函数]
│
└───> [SPI设备与驱动匹配成功]
└─── [执行设备特定初始化]
└─── oled_probe() [示例：OLED设备驱动]
├─── spi_setup()
├─── 分配和初始化设备私有数据
├─── 硬件初始化序列
└─── 注册字符设备或其他接口
三、SPI数据传输调用链
用户空间: open(“/dev/spidevX.Y”)
→ 内核空间: spidev_open()
→ 用户空间: write()/read()/ioctl()
→ 内核空间: spidev_write()/spidev_read()/spidev_ioctl_message()
→ spi_sync()/spi_async()
→ master->transfer() [如spi_gpio_transfer()]
→ 硬件操作: 移位数据、控制片选、生成时钟
[用户空间应用程序]
└───> [打开SPI设备文件]
└─── open("/dev/spidev0.0", O_RDWR)
└─── [通过VFS调用内核]
└─── spidev_open()
└─── 查找并关联spi_device
│
└───> [数据传输]
├─── [单次传输]
│ └─── write()/read()
│ └─── spidev_write()/spidev_read()
│ └─── spi_sync()
│ └─── spi_async()
│ └─── __spi_async()
│ ├─── queue_spi_message()
│ └─── spi_master_start()
│ └─── master->transfer() [调用控制器的transfer函数]
│ └─── spi_gpio_transfer() [示例：GPIO模拟SPI]
│ ├─── 配置片选
│ ├─── 设置时钟和模式
│ ├─── 位操作实现SPI时序
│ └─── 完成传输回调
│
└─── [批量传输]
└─── ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(N), ...)
└─── spidev_ioctl_message()
└─── spi_sync_transfer()
└─── 同单次传输流程
四、SPI子系统核心数据结构关系图
[核心数据结构关系]
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐
│ struct device │ │ struct bus_type │ │ struct class │
└─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐
│ struct platform │ │ struct spi_bus │ │ struct spi_master│
│ _device │ │ _type │ └─────────┬─────────┘
└─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘ │
│ │ ┌─────────┴─────────┐
▼ ▼ │ struct spi_device│
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐ └─────────┬─────────┘
│ struct platform │ │ struct spi │ │
│ _driver │ │ _driver │ ▼
└─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘ ┌───────────────────┐
│ │ │ struct spi_message│
▼ ▼ └─────────┬─────────┘
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐ │
│ probe() │ │ probe() │ ▼
│ (初始化控制器) │ │ (初始化设备) │ ┌───────────────────┐
└─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘ │ struct spi_transfer│
│ │ └───────────────────┘
▼ ▼
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐
│ spi_alloc_master()│ │ spi_setup() │
└─────────┬─────────┘ └─────────┬─────────┘
│ │
▼ ▼
┌───────────────────┐ ┌───────────────────┐
│ spi_register_master│ │ spi_sync() │
└───────────────────┘ └─────────┬─────────┘
│
▼
┌───────────────────┐
│ master->transfer()│
└───────────────────┘
五、关键组件与流程总结
- 内核启动与 SPI 子系统初始化
plaintext start_kernel() → rest_init() → kernel_init() → driver_init()
→ spi_init() → bus_register(&spi_bus_type) →
class_register(&spi_master_class) →
spi_register_driver(&spi_bitbang_driver)
- SPI控制器初始化流程
- 设备树解析SPI控制器节点 → 转换为platform_device
- platform_driver匹配并调用probe函数
- probe函数中：
- 分配并初始化spi_master结构体
- 设置transfer函数指针（实现硬件时序）
- 注册spi_master到内核
of_scan_flat_dt()
→ of_platform_populate()
→ of_platform_device_create_pdata()
→ platform_device_register()
→ platform_driver_register()
→ spi_gpio_probe()
→ spi_alloc_master()
→ 配置spi_master操作函数
→ spi_register_master()
→ device_register()
→ spi_master_setup_devices()
- SPI设备初始化流程
- 设备树解析SPI设备子节点 → 创建spi_device
- spi_device通过compatible属性匹配spi_driver
- 调用spi_driver的probe函数进行设备初始化
- 设备驱动通过spi_setup()配置传输参数
of_spi_register_devices()
→ spi_new_device()
→ device_add()
→ bus_probe_device()
→ device_attach()
→ driver_match_device()
→ spi_match_device()
→ of_match_device()
→ really_probe()
→ oled_probe()
→ spi_setup()
→ 硬件初始化
→ 注册字符设备
- SPI数据传输流程
- 用户空间通过文件操作或ioctl发起传输
- 内核层通过spi_sync()/spi_async()封装传输请求
- 请求被传递到spi_master的transfer函数
- transfer函数实现具体硬件操作（配置CS、时钟、移位数据）
用户空间: open(“/dev/spidevX.Y”)
→ 内核空间: spidev_open()
→ 用户空间: write()/read()/ioctl()
→ 内核空间: spidev_write()/spidev_read()/spidev_ioctl_message()
→ spi_sync()/spi_async()
→ master->transfer() [如spi_gpio_transfer()]
→ 硬件操作: 移位数据、控制片选、生成时钟
- 关键数据结构
- struct spi_master：表示SPI主机控制器
- struct spi_device：表示SPI从设备
- struct spi_driver：SPI设备驱动的抽象
- struct spi_message：封装一次或多次传输请求
- struct spi_transfer：描述单次数据传输的参数
六、关键组件与流程总结二
1. 内核启动基础流程
start_kernel()：内核初始化入口，触发后续所有子系统初始化。rest_init()：创建内核线程（如kernel_init），分离初始化与调度逻辑。kernel_init()：用户空间初始化入口，调用init_post()进入用户态准备。
2. 驱动子系统初始化
driver_init()：初始化内核驱动框架，调用各总线/类的初始化函数。spi_init()（drivers/spi/spi.c）：SPI 子系统核心初始化：bus_register(&spi_bus_type)：注册 SPI 总线（struct bus_type），为设备/驱动匹配提供基础。class_register(&spi_master_class)：注册 SPI 主设备类（struct class），用于/sys/class/spi_master管理。spi_register_driver(&spi_bitbang_driver)：预注册 位bang驱动（纯软件模拟SPI时序，适配无硬件控制器场景）。
3. 设备树解析与 platform_device 创建
of_scan_flat_dt()：扫描设备树扁平结构，触发节点解析。of_platform_populate()：递归遍历设备树，将节点转换为platform_device：of_platform_device_create_pdata()：为每个 SPI 控制器节点（如/spi@12340000）创建platform_device，填充resource（寄存器、中断等）。
4. SPI 控制器驱动匹配（以 spi-gpio 为例）
platform_driver_register()：注册 SPI 控制器驱动（如spi_gpio_driver），其probe函数会被触发。spi_gpio_probe()：初始化 GPIO 模拟的 SPI 控制器：spi_alloc_master()：分配struct spi_master（SPI 控制器核心结构体）。- 填充
spi_master成员：transfer = spi_gpio_transfer：实现硬件时序（软件模拟 SPI 读写）。num_chipselect：支持的片选数量（如 1 个片选引脚）。
spi_register_master()：将spi_master注册到内核，触发设备自动创建。
5. SPI 设备自动创建（设备树触发）
spi_master_setup_devices()：遍历设备树中 SPI 控制器的子节点，创建设备：of_spi_register_devices()：解析子节点（如/spi@12340000/oled）。spi_new_device()：分配struct spi_device，并解析设备树属性：max_speed_hz：从spi-max-frequency获取。mode：从spi-cpol/spi-cpha获取。chip_select：片选引脚编号。
device_add()：将spi_device注册到内核，触发驱动匹配。
6. SPI 设备与驱动匹配
bus_probe_device()：触发 SPI 总线的设备探测逻辑。spi_match_device()：匹配逻辑（优先设备树compatible）：- 遍历已注册的
spi_driver，对比of_match_table与设备树compatible。
- 遍历已注册的
7. 设备驱动 probe（以 OLED 为例）
driver_probe_device()：调用spi_driver的probe函数（如oled_probe）：spi_setup()：配置 SPI 传输参数（速率、模式等）。- 硬件初始化：发送复位序列、配置寄存器。
- 注册字符设备：通过
cdev_add()暴露/dev/spidevX.X接口。
七、常见问题排查思路
-
SPI控制器未识别
- 检查设备树节点是否正确（compatible、reg等属性）
- 确认platform_driver是否正确注册
- 查看dmesg日志是否有控制器初始化错误
-
SPI设备无法通信
- 检查设备树中SPI设备子节点的参数（cs-gpios、max-speed-hz等）
- 确认spi_device和spi_driver是否正确匹配
- 使用逻辑分析仪检查SPI总线波形是否正常
-
数据传输错误
- 检查SPI模式（CPOL/CPHA）是否与设备匹配
- 确认传输速率是否在设备支持范围内
- 检查片选信号是否正确控制
- 考虑添加适当的延时（某些设备对时序敏感）
这个流程涵盖了从设备树解析到数据传输的完整生命周期，理解这些步骤对于开发SPI驱动或调试SPI设备非常关键。如果需要深入了解某个环节，可以进一步探讨！