SPI 드라이버

sungho·2025년 1월 8일

디바이스 드라이버

목록 보기

12/12

리눅스 환경에서 SPI 통신을 사용하는 방법과 BMP280 센서에서 데이터를 읽어오는 과정을 알아보겠습니다. I2C 통신에 대한 개념과 SPI 통신의 기본 원리, 리눅스 커널에서의 SPI 지원 그리고 실제 BMP280 센서와의 연결 및 데이터 읽기에 대해 살펴보겠습니다.

1. I2C 통신

I2C는 2개의 신호선(SCL, SDA)을 사용하는 동기식 시리얼 통신 프로토콜
- SPI는 4개의 신호선 (MOSI, MISO, SCLK, CS)을 사용
I2C 버스 구성
- 마이크로컨트롤러를 중심으로 멀티플렉서, I/O 확장, LED 깜빡임, 허브 리피터, 데이터 변환기, EEPROM, LCD 드라이버, 온도 센서 등 다양한 장치들이 연결
데이터 전송
- SCL 클럭 신호에 맞춰 SDA 데이터 신호가 전송
- MSB(Most Significant Bit)부터 LSB(Least Significant Bit) 순서로 전송
- 바이트 전송 후에는 수신 측에서 ACK(Acknowledge) 신호를 보내 전송 성공 여부를 알림
NACK
- 데이터 전송 실패 시에는 NACK(Not Acknowledge) 신호가 발생
- 데이터 손실이나 장치 오류
쓰기 과정
- 마스터 장치는 슬레이브 장치의 주소와 쓰기 모드(R/W=0)를 전송
- 레지스터 주소와 데이터를 순차적으로 전송
I2C와 SPI 비교
- 신호선
  - I2C는 2개(SDA, SCL), SPI는 4개(MOSI, MISO, SCLK, CS)
- 속도
  - I2C는 최대 3.4Mbps, SPI는 10Mbps, 50Mbps 이상으로 SPI가 더 빠름
- 복잡도
  - I2C는 주소 지정 및 ACK/NACK 처리가 필요하여 SPI보다 복잡

2. SPI

개념

SPI는 I2C와 함께 널리 사용되는 동기식 시리얼 통신 방식
I2C보다 빠르고, 속도 제한이 없어 고속 데이터 전송에 적합

구성

마스터 장치와 슬레이브 장치가 CS, SCLK, MOSI, MISO 신호선을 통해 연결
SPI 통신은 일반적으로 I2C보다 고속으로 동작

구성 요소

SCLK(SPI CLK)
- 클럭 신호를 제공
CS(Chip Select)
- 여러 개의 슬레이브 장치 중 통신할 장치를 선택
MOSI(Master Out Slave In)
- 마스터에서 슬레이브로 데이터를 전송
MISO(Master In Slave Out)
- 슬레이브에서 마스터로 데이터를 전송

모드

SPI는 클럭 극성(Clock Polarity, CPOL)과 위상(Clock Phase, CPHA)에 따라 4가지 모드를 지원

모드	CPOL (Idle 상태)	CPHA (샘플링 엣지)
0	Low	Rising (MOSI), Falling (MISO)
1	Low	Falling (MOSI), Rising (MISO)
2	High	Rising (MOSI), Falling (MISO)
3	High	Falling (MOSI), Rising (MISO)

다중 슬레이브

하나의 마스터 장치가 여러 개의 슬레이브 장치와 통신
슬레이브 장치는 고유의 CS 신호를 통해 선택

소프트웨어

리눅스에서 SPI 통신은 마스터 모드로 동작
CS 신호를 통해 특정 슬레이브 장치(센서, 디바이스 등)를 선택하고 통신
리눅스 커널의 GPIO bit-banging 알고리즘을 사용하여 소프트웨어적으로 SPI 파형을 생성

3. SPI 버스 드라이버

SPI 버스 드라이버는 drivers/spi/ 디렉토리에 위치
spi_controller 표준 인터페이스를 통해 등록
라즈베리파이의 경우, drivers/spi/spi-bcm2835.c 드라이버가 사용
arch/arm/boot/dts/bcm283x.dtsi 와 arch/arm/boot/dts/bcm2711.dtsi 파일에서 관련 설정을 확인

코드

// drivers/spi/spi-bcm2835.c
static const struct of_device_id bcm2835_spi_match[] = {
    { .compatible = "brcm,bcm2835-spi", },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, bcm2835_spi_match);

static struct platform_driver bcm2835_spi_driver = {
    .driver = {
        .name   = DRV_NAME,
        .of_match_table = bcm2835_spi_match,
    },
    .probe          = bcm2835_spi_probe,
    .remove         = bcm2835_spi_remove,
    .shutdown       = bcm2835_spi_shutdown,
};
module_platform_driver(bcm2835_spi_driver);

4. 유저 SPI 인터페이스

리눅스는 사용자 공간에서 SPI 버스를 직접 제어할 수 있는 인터페이스
애플리케이션에서 SPI 속도 조절, 데이터 송수신
라즈베리파이에서는 /dev/spidev0.0 과 같은 장치 파일을 통해 SPI 버스에 접근

코드

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/spi/spidev.h>

int main() {
    int fd;
    unsigned char tx_buf[2] = {0x01, 0x00}; //예시 데이터
    unsigned char rx_buf[2];

    fd = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Error opening SPI device");
        return -1;
    }

    struct spi_ioc_transfer tr = {
        .tx_buf = (unsigned long)tx_buf,
        .rx_buf = (unsigned long)rx_buf,
        .len = 2, // 전송할 바이트 수
        .speed_hz = 1000000, // SPI 클럭 속도 ex)1MHz
        .bits_per_word = 8,
    };

    if (ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr) < 0) {
        perror("Error sending SPI message");
        close(fd);
        return -1;
    }

    printf("Received: 0x%02x 0x%02x\\n", rx_buf[0], rx_buf[1]);

    close(fd);
    return 0;
}

5. Device Tree 설정(disable_spidev)

SPI 장치를 비활성화하기 위한 Device Tree Overlay를 작성

disable_spidev.dts

/dts-v1/;
/plugin/;

/ {
        compatible = "brcm,bcm2708";

        fragment@0 {
                target = <&spi0>;
                __overlay__ {
                        status = "disabled";
                };
        };
};

arch/arm/boot/dts/bcm2711-rpi-4-b.dts 에서 spidev 관련 설정

6. 커널 모듈 작성(k_spi.c) - BMP280 센서와의 통신

BMP280 센서와 통신하기 위한 커널 모듈

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/gpio.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define DRIVER_NAME "k_spi_driver"
#define DRIVER_CLASS "k_spi_class"
#define TOY_SPI_BUS_NUM 0

static struct spi_device *bmp280_dev;

struct spi_board_info spi_device_info = {
        .modalias = "bmp280",
        .max_speed_hz = 1000000,
        .bus_num = TOY_SPI_BUS_NUM,
        .chip_select = 0,
        .mode = 3,
};

static int __init k_module_init(void)
{
    struct spi_master *master;
    u8 id;

    pr_info("k_spi_driver loaded\\n");

    master = spi_busnum_to_master(TOY_SPI_BUS_NUM);
    if (!master) {
        pr_err("Error! spi bus with Nr. %d\\n", TOY_SPI_BUS_NUM);
        return -ENODEV;
    }

    bmp280_dev = spi_new_device(master, &spi_device_info);
    if (!bmp280_dev) {
        pr_info("Could not create spi device!\\n");
        return -ENODEV;
    }

    bmp280_dev->bits_per_word = 8;
    if (spi_setup(bmp280_dev) != 0) {
        pr_info("Could not change bus setup!\\n");
        spi_unregister_device(bmp280_dev);
        return -EFAULT;
    }

    // BMP280 ID 레지스터(0xD0) 읽기
    id = spi_w8r8(bmp280_dev, 0xD0);
    pr_info("ID: 0x%x\\n", id);

    return 0;
}

static void __exit k_module_exit(void)
{
    pr_info("k_spi_driver unloaded\\n");

    if (bmp280_dev) {
        spi_unregister_device(bmp280_dev);
    }
}

module_init(k_module_init);
module_exit(k_module_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple SPI driver for BMP280");

코드 설명

spi_board_info
- SPI 슬레이브 장치(BMP280)의 정보를 정의
spi_busnum_to_master()
- SPI 버스 번호로 spi_master 구조체를 가져오기
spi_new_device()
- spi_master 와 spi_board_info 를 기반으로 SPI 디바이스를 생성
spi_setup()
- SPI 디바이스의 비트 수, 모드 등을 설정
spi_w8r8()
- 1바이트를 쓰고, 1바이트를 읽어옵니다. BMP280의 ID 레지스터(0xD0)를 읽는 데 사용

7. 하드웨어 연결

GPIO 핀 다이어그램
- 라즈베리파이의 GPIO 핀 배열을 참고하여 연결
BMP280 센서 연결
- VCC - 3V3 전원
- GND - Ground
- SCL - GPIO 11 (SCLK)
- SDA - GPIO 9 (MISO)
- CSB - GPIO 8 (CE0)
- SDO - GPIO 10 (MOSI)

8. 빌드

make 명령어로 disable_spidev.dtbo 와 k_spi.ko 파일을 빌드
disable_spidev.dtbo 파일을 라즈베리파이의 /boot/overlays 폴더에 복사
- 먼저, Boot 디렉토리를 마운트
  - mount -t vfat /dev/mmcblk0p1 /boot/
- dtbo 파일을 복사
  - cp disable_spidev.dtbo /boot/overlays/

9. SPI 모듈 설정

/boot/config.txt 파일을 수정하여 dtoverlay=disable_spidev 를 추가
dtparam=spi=on 이 활성화되어 있는지 확인
변경 사항을 저장하고 재부팅
modprobe spi_bcm2835 명령어로 SPI 모듈을 로드

명령어로 핀 설정을 확인

mount -t debugfs debugfs /sys/kernel/debug
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/pinctrl-maps

10. BMP280 센서 ID 읽기

insmod k_spi.ko 명령어로 작성한 커널 모듈을 로드
dmesg 명령어로 커널 메시지를 확인
[ xxx.xxxxxx] ID: 0x58 와 같이 BMP280 센서의 ID가 출력되면 정상적으로 통신

sungho

이전 포스트