从零写OS内核 | SPI 总线——高速串行通信
你有没有想过：一片 NOR Flash 芯片，是怎么和 CPU 交换数据的？ 它没有地址线、没有复杂的主从协议，就靠 4 根线就能以几十 MHz 的速度传输数据。这就是 SPI（Serial Peripheral Interface）。
相比 I2C，SPI 更快、更简单、更适合高速场景。本文从协议原理讲到四种模式、Daisy Chain，最后给出 Linux 下用 spidev 调试的命令。
一、SPI 四种模式：CPOL 和 CPHA 的组合
SPI 有 4 种通信模式，由两个参数决定：
- CPOL（Clock Polarity）：空闲时时钟电平（0=低，1=高）
- CPHA（Clock Phase）：数据采样时机（0=第一个边沿，1=第二个边沿）
Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0): 空闲低时钟，第一个边沿采样
────────────────────────────────────────────────────
SCLK ───┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──
┌────┘ └────┘ └────┘
SDA ──[D7]──[D6]──[D5]──[D4]──[D3]──[D2]──...
MOSI ↑ ↑ ↑ ↑
第一个边沿采样（CPHA=0）
Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1): 空闲高时钟，第二个边沿采样
────────────────────────────────────────────────────
SCLK ───┘ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌─
┌────┘ └────┘ └────┘
SDA ──[D7]──[D6]──[D5]──[D4]──[D3]──[D2]──...
↑ ↑ ↑
第二个边沿采样（CPHA=1）四种模式速查：
| 模式 | CPOL | CPHA | SCLK 空闲 | 采样边沿 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿 |
| 1 | 0 | 1 | 低 | 下降沿 |
| 2 | 1 | 0 | 高 | 下降沿 |
| 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿 |
常见芯片对应的模式：
- NOR Flash（W25Q64）：Mode 0 或 Mode 3
- SD 卡：Mode 0
- 传感器（陀螺仪 MPU6000）：Mode 3
二、SPI 全双工和 Daisy Chain
SPI 是全双工总线，同时有 MOSI（Master Out Slave In）和 MISO（Master In Slave Out），主设备在发送一个字节的同时也在接收一个字节。
Master Slave 1 Slave 2
│ │ │
MOSI ────────────────[D7..D0]─────────────────────────[D7..D0]──→ │
MISO ←───────────────[D7..D0]─────────────────────────[D7..D0]── │ │
│ │ │
SCLK ─────────────────────────[Clock]─────────────────────────
CS0 ───[L]──────────────────[H]──────────────────[H]
CS1 ───[H]──────────────────[H]──────────────────[L]Daisy Chain（菊花链）模式：
多个从设备串联，数据像流水线一样传递：
Master → [Slave1] → [Slave2] → [Slave3] → Master
移位寄存器 移位寄存器 移位寄存器
发 3 字节：Master 发 byte1 → Slave1 收 byte1 并把 byte2 推到 Slave2...Linux SPI Daisy Chain 例子（flashrom）：
# 查看 SPI 控制器信息
$ lspci | grep SPI
00:00.2 SPI controller: Intel Corporation Device 9a13 (rev 01)
# Linux 下通过 spidev 测试
$ ls /sys/bus/spi/devices/
spi0.0 spi0.1 spi0.2
$ cat /sys/bus/spi/devices/spi0.0/modalias
spi:spi-max7315三、SPI Flash：NOR 和 NAND 的区别
嵌入式系统最常用 SPI Flash 存储固件：
| 特性 | SPI NOR Flash | SPI NAND Flash |
|---|---|---|
| 结构 | 透明或非透明 | 需要 ECC |
| 读取 | 直接随机读取（XIP） | 顺序页读取 |
| 写入 | 字节编程（Page Program） | 页编程 |
| 擦除 | 扇区擦除（4K-64K） | 块擦除（64K-128K） |
| 价格 | 高（存储代码） | 低（存储数据） |
| 特点 | 可直接执行代码（XIP） | 容量大 |
W25Q64（常见 NOR Flash，8MB）结构：
- 128 个块（64KB 每块）
- 每块 16 个扇区（4KB 每扇区）
- 支持 Dual/Quad SPI（用 2 或 4 根数据线加速）
四、Linux spidev 实战
# 1. 确认有 SPI 控制器和 spidev 驱动
$ ls /dev/spidev*
/dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1
# 2. 查看 SPI 设备信息
$ cat /sys/bus/spi/devices/spi0.0/modalias
spi:brainboxes
# 3. 用 spidev_test 发送一个字节（读 Flash ID）
$ cat /dev/spidev0.0
# spidev_test 需要构造十六进制命令字
$ ./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -p "9F" -s 51200000 -b 8
# 发 9F（Read JEDEC ID），读 3 字节厂商+设备 ID
# 4. 读 Flash 芯片 ID（W25Q64）
$ ./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -p "9F" -t
# 返回：EF 40 17 = Winbond 16MB Flash ✓
# 5. 读取 Flash 前 256 字节
$ ./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -p "03 00 00 00" -r 256 -t
# 发 0x03（Read Data）+ 3 字节地址，读取 256 字节spidev_test 源码片段（发送 Read JEDEC ID）：
// spidev_test.c 片段
uint8_t tx[] = {0x9F}; // JEDEC ID 命令
uint8_t rx[3] = {0};
ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr); // 发送并接收
printf("JEDEC ID: %02X %02X %02Xn", rx[0], rx[1], rx[2]);
// EF 40 17 → Winbond 16MB五、wandos 的 SPI 实现
wandos 目前在 arch/x86/core/spi.cpp 实现了基于 Port I/O 的 bitbang SPI：
// wandos spi.cpp（简化）
void spi_transfer(uint8_t *tx, uint8_t *rx, int len) {
for (int i = 0; i < len; i++) {
uint8_t data = tx ? tx[i] : 0xFF;
rx[i] = spi_shift_byte(data); // 移位寄存器
}
}
uint8_t spi_shift_byte(uint8_t byte) {
uint8_t rx = 0;
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
// MOSI：字节的最高位先发
if (byte & (1 << i)) MOSI_HIGH; else MOSI_LOW;
SCK_HIGH; // 上升沿采样
udelay(1);
if (MISO_READ()) rx |= (1 << i); // 读 MISO
SCK_LOW; // 时钟拉低，准备下一位
udelay(1);
}
return rx;
}wandos SPI 的局限：
- 纯 bitbang 模拟，速度慢（< 1MHz）
- 尚未实现硬件 SPI 控制器（Intel SPI 等）
- 没有 DMA 支持
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相关阅读：
- 《从零写OS内核 | I2C 总线——嵌入式系统的血管》（348）
- 《从零写OS内核 | USB 协议——从 HID 到高速设备》（345）
动手环节：
如果你有树莓派或嵌入式开发板，运行 ls /dev/spidev* 看有没有 SPI 设备。然后尝试用 spidev_test 读取 Flash ID，或接一个 SPI OLED 屏幕验证通信。
仓库地址：
github.com/golang12306/os-kernel-from-scratch
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