Linux系统的spi驱动开发

2018-8-17

一、概述

基于子系统去开发驱动程序已经是linux内核中普遍的做法了。前面写过基于I2C子系统的驱动开发。小编将在本文介绍另外一种常用总线SPI的开发方法。SPI子系统的开发和I2C有很多的相似性,大家可以对比学习。本主题分为两个部分叙述,第一部分介绍基于SPI子系统开发的理论框架;第二部分以华清远见教学平台FS_S5PC100上的M25P10芯片为例(内核版本2.6.29),编写一个SPI驱动程序实例。

二、SPI总线协议简介

介绍驱动开发前,需要先熟悉下SPI通讯协议中的几个关键的地方,后面在编写驱动时,需要考虑相关因素。

SPI总线由MISO(串行数据输入)、MOSI(串行数据输出)、SCK(串行移位时钟)、CS(使能信号)4个信号线组成。如FS_S5PC100上的M25P10芯片接线为:


上图中M25P10的D脚为它的数据输入脚,Q为数据输出脚,C为时钟脚。

SPI常用四种数据传输模式,主要差别在于:输出串行同步时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)可以进行配置。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。如果CPHA= 0,在串行同步时钟的前沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA = 1,在串行同步时钟的后沿(上升或下降)数据被采样。



这四种模式中究竟选择哪种模式取决于设备。如M25P10的手册中明确它可以支持的两种模式为:CPOL=0 CPHA=0 和 CPOL=1 CPHA=1


三、linux下SPI驱动开发

首先明确SPI驱动层次,如下图:


我们以上面的这个图为思路

1、 Platform bus

Platform bus对应的结构是platform_bus_type,这个内核开始就定义好的。我们不需要定义。

2、Platform_device

SPI控制器对应platform_device的定义方式,同样以S5PC100中的SPI控制器为例,参看arch/arm/plat-s5pc1xx/dev-spi.c文件

struct platform_device s3c_device_spi0 = {

.name = "s3c64xx-spi", //名称,要和Platform_driver匹配

.id = 0, //第0个控制器,S5PC100中有3个控制器

.num_resources = ARRAY_SIZE(s5pc1xx_spi0_resource), //占用资源的种类

.resource = s5pc1xx_spi0_resource, //指向资源结构数组的指针

.dev = {

.dma_mask = &spi_dmamask, //dma寻址范围

.coherent_dma_mask = DMA_BIT_MASK(32), //可以通过关闭cache等措施保证一致性的dma寻址范围

.platform_data = &s5pc1xx_spi0_pdata, //特殊的平台数据,参看后文

},

};

static struct s3c64xx_spi_cntrlr_info s5pc1xx_spi0_pdata = {

.cfg_gpio = s5pc1xx_spi_cfg_gpio, //用于控制器管脚的IO配置

.fifo_lvl_mask = 0x7f,

.rx_lvl_offset = 13,

};

static int s5pc1xx_spi_cfg_gpio(struct platform_device *pdev)

{

switch (pdev->id) {

case 0:

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(0), S5PC1XX_GPB0_SPI_MISO0);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(1), S5PC1XX_GPB1_SPI_CLK0);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(2), S5PC1XX_GPB2_SPI_MOSI0);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(0), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(1), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(2), S3C_GPIO_PULL_UP);

break;

case 1:

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(4), S5PC1XX_GPB4_SPI_MISO1);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(5), S5PC1XX_GPB5_SPI_CLK1);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPB(6), S5PC1XX_GPB6_SPI_MOSI1);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(4), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(5), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPB(6), S3C_GPIO_PULL_UP);

break;

case 2:

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPG3(0), S5PC1XX_GPG3_0_SPI_CLK2);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPG3(2), S5PC1XX_GPG3_2_SPI_MISO2);

s3c_gpio_cfgpin(S5PC1XX_GPG3(3), S5PC1XX_GPG3_3_SPI_MOSI2);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPG3(0), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPG3(2), S3C_GPIO_PULL_UP);

s3c_gpio_setpull(S5PC1XX_GPG3(3), S3C_GPIO_PULL_UP);

break;

default:

dev_err(&pdev->dev, "Invalid SPI Controller number!");

return -EINVAL;

}

3、Platform_driver

再看platform_driver,参看drivers/spi/spi_s3c64xx.c文件

static struct platform_driver s3c64xx_spi_driver = {

.driver = {

.name = "s3c64xx-spi", //名称,和platform_device对应

.owner = THIS_MODULE,

},

.remove = s3c64xx_spi_remove,

.suspend = s3c64xx_spi_suspend,

.resume = s3c64xx_spi_resume,

};

platform_driver_probe(&s3c64xx_spi_driver, s3c64xx_spi_probe);//注册s3c64xx_spi_driver

和平台中注册的platform_device匹配后,调用s3c64xx_spi_probe。然后根据传入的platform_device参数,构建一个用于描述SPI控制器的结构体spi_master,并注册。spi_register_master(master)。后续注册的spi_device需要选定自己的spi_master,并利用spi_master提供的传输功能传输spi数据。

和I2C类似,SPI也有一个描述控制器的对象叫spi_master。其主要成员是主机控制器的序号(系统中可能存在多个SPI主机控制器)、片选数量、SPI模式和时钟设置用到的函数、数据传输用到的函数等。

struct spi_master {

struct device dev;

s16 bus_num; //表示是SPI主机控制器的编号。由平台代码决定

u16 num_chipselect; //控制器支持的片选数量,即能支持多少个spi设备

int (*setup)(struct spi_device *spi); //针对设备设置SPI的工作时钟及数据传输模式等。在spi_add_device函数中调用。

int (*transfer)(struct spi_device *spi,

struct spi_message *mesg); //实现数据的双向传输,可能会睡眠

void (*cleanup)(struct spi_device *spi); //注销时调用

};

4、Spi bus

Spi总线对应的总线类型为spi_bus_type,在内核的drivers/spi/spi.c中定义

struct bus_type spi_bus_type = {

.name = "spi",

.dev_attrs = spi_dev_attrs,

.match = spi_match_device,

.uevent = spi_uevent,

.suspend = spi_suspend,

.resume = spi_resume,

};

对应的匹配规则是(高版本中的匹配规则会稍有变化,引入了id_table,可以匹配多个spi设备名称):

static int spi_match_device(struct device *dev, struct device_driver *drv)

{

const struct spi_device *spi = to_spi_device(dev);

return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;

}

5、spi_device

下面该讲到spi_device的构建与注册了。spi_device对应的含义是挂接在spi总线上的一个设备,所以描述它的时候应该明确它自身的设备特性、传输要求、及挂接在哪个总线上。

static struct spi_board_info s3c_spi_devs[] __initdata = {

{

.modalias = "m25p10",

.mode = SPI_MODE_0, //CPOL=0, CPHA=0 此处选择具体数据传输模式

.max_speed_hz = 10000000, //最大的spi时钟频率

/* Connected to SPI-0 as 1st Slave */

.bus_num = 0, //设备连接在spi控制器0上

.chip_select = 0, //片选线号,在S5PC100的控制器驱动中没有使用它作为片选的依据,而是选择了下文controller_data里的方法。

.controller_data = &smdk_spi0_csi[0],

},

};

static struct s3c64xx_spi_csinfo smdk_spi0_csi[] = {

[0] = {

.set_level = smdk_m25p10_cs_set_level,

.fb_delay = 0x3,

},

};

static void smdk_m25p10_cs_set_level(int high) //spi控制器会用这个方法设置cs

{

u32 val;

val = readl(S5PC1XX_GPBDAT);

if (high)

val |= (1<<3);

else

val &= ~(1<<3);

writel(val, S5PC1XX_GPBDAT);

}

spi_register_board_info(s3c_spi_devs, ARRAY_SIZE(s3c_spi_devs));//注册spi_board_info。这个代码会把spi_board_info注册要链表board_list上。

事实上上文提到的spi_master的注册会在spi_register_board_info之后,spi_master注册的过程中会调用scan_boardinfo扫描board_list,找到挂接在它上面的spi设备,然后创建并注册spi_device。

static void scan_boardinfo(struct spi_master *master)

{

struct boardinfo *bi;

mutex_lock(&board_lock);

list_for_each_entry(bi, &board_list, list) {

struct spi_board_info *chip = bi->board_info;

unsigned n;

for (n = bi->n_board_info; n > 0; n--, chip++) {

if (chip->bus_num != master->bus_num)

continue;

/* NOTE: this relies on spi_new_device to

* issue diagnostics when given bogus inputs

*/

(void) spi_new_device(master, chip); //创建并注册了spi_device

}

}

mutex_unlock(&board_lock);

}

6、spi_driver

本文先以linux内核中的/driver/mtd/devices/m25p80.c驱动为参考。

static struct spi_driver m25p80_driver = { //spi_driver的构建

.driver = {

.name = "m25p80",

.bus = &spi_bus_type,

.owner = THIS_MODULE,

},

.probe = m25p_probe,

.remove = __devexit_p(m25p_remove),

*/

};

spi_register_driver(&m25p80_driver);//spi driver的注册

在有匹配的spi device时,会调用m25p_probe

static int __devinit m25p_probe(struct spi_device *spi)

{

……

}

根据传入的spi_device参数,可以找到对应的spi_master。接下来就可以利用spi子系统为我们完成数据交互了。可以参看m25p80_read函数。要完成传输,先理解下面几个结构的含义:(这两个结构的定义及详细注释参见include/linux/spi/spi.h)

spi_message:描述一次完整的传输,即cs信号从高->底->高的传输

spi_transfer:多个spi_transfer够成一个spi_message

举例说明:m25p80的读过程如下图


可以分解为两个spi_ transfer一个是写命令,另一个是读数据。具体实现参见m25p80.c中的m25p80_read函数。下面内容摘取之此函数。

struct spi_transfer t[2]; //定义了两个spi_transfer

struct spi_message m; //定义了两个spi_message

spi_message_init(&m); //初始化其transfers链表

t[0].tx_buf = flash->command;

t[0].len = CMD_SIZE + FAST_READ_DUMMY_BYTE; //定义第一个transfer的写指针和长度

spi_message_add_tail(&t[0], &m); //添加到spi_message

t[1].rx_buf = buf;

t[1].len = len; //定义第二个transfer的读指针和长度

spi_message_add_tail(&t[1], &m); //添加到spi_message

flash->command[0] = OPCODE_READ;

flash->command[1] = from >> 16;

flash->command[2] = from >> 8;

flash->command[3] = from; //初始化前面写buf的内容

spi_sync(flash->spi, &m); //调用spi_master发送spi_message

// spi_sync为同步方式发送,还可以用spi_async异步方式,那样的话,需要设置回调完成函数。

另外你也可以选择一些封装好的更容易使用的函数,这些函数可以在include/linux/spi/spi.h文件中找到,如:

extern int spi_write_then_read(struct spi_device *spi,

const u8 *txbuf, unsigned n_tx,

u8 *rxbuf, unsigned n_rx);






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