用户空间的spi驱动

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1.   spi_device
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作者：yuanlulu
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版权没有，但是转载请保留此段声明
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1.1     重要的数据结构

1．  spi_device

虽然用户空间不需要直接用到spi_device结构体，但是这个结构体和用户空间的程序有密切的关系，理解它的成员有助于理解SPI设备节点的IOCTL命令，所以首先来介绍它。

在内核中，每个spi_device代表一个物理的SPI设备。它的成员如程序清单 1.1所示。

程序清单 1.1 spi_device

struct spi_device {

         structdevice        dev;

         structspi_master *master;

         u32                      max_speed_hz;                                /* 通信时钟最大频率                                                        */

         u8                        chip_select;                                      /* 片选号                                                                   */

         u8                        mode;                                              /*SPI设备的模式，下面的宏是它各bit的含义  */

#define       SPI_CPHA         0x01                                                /* 采样的时钟相位                                                   */

#define       SPI_CPOL          0x02                                                /* 时钟信号起始相位：高或者是低电平               */

#define       SPI_MODE_0    (0|0)                    

#define       SPI_MODE_1    (0|SPI_CPHA)

#define       SPI_MODE_2    (SPI_CPOL|0)

#define       SPI_MODE_3    (SPI_CPOL|SPI_CPHA)

#define       SPI_CS_HIGH   0x04                                       /* 为1时片选的有效信号是高电平                       */

#define       SPI_LSB_FIRST         0x08                             /* 发送时低比特在前                                                         */

#define       SPI_3WIRE        0x10                                       /* 输入输出信号使用同一根信号线                       */

#define       SPI_LOOP         0x20                                                /* 回环模式                                                               */

         u8                        bits_per_word;                                /* 每个通信字的字长（比特数）                           */

         int                        irq;                                                   /*使用到的中断                                                       */

         void                     *controller_state;

         void                     *controller_data;

         char                     modalias[32];                                  /* 设备驱动的名字                                                   */

};

       由于一个SPI总线上可以有多个SPI设备，因此需要片选号来区分它们，SPI控制器根据片选号来选择不同的片选线，从而实现每次只同一个设备通信。

       spi_device的mode成员有两个比特位含义很重要。SPI_CPHA选择对数据线采样的时机，0选择每个时钟周期的第一个沿跳变时采样数据，1选择第二个时钟沿采样数据；SPI_CPOL选择每个时钟周期开始的极性，0表示时钟以低电平开始，1选择高电平开始。这两个比特有四种组合，对应SPI_MODE_0～SPI_MODE_3。

       另一个比较重要的成员是bits_per_word。这个成员指定每次读写的字长，单位是比特。虽然大部分SPI接口的字长是8或者16，仍然会有一些特殊的例子。需要说明的是，如果这个成员为零的话，默认使用8作为字长。

       最后一个成员并不是设备的名字，而是需要绑定的驱动的名字。

2．   spi_ioc_transfer

       在用户使用设备节点的IOCTL命令传输数据的时候，需要用到 spi_ioc_transfer结构体，它的成员如程序清单 1.2所示。

程序清单 1.2  spi_ioc_transfer

struct spi_ioc_transfer {

            __u64               tx_buf;                                             /* 写数据缓冲                                                           */

            __u64               rx_buf;                                             /* 读数据缓冲                                                           */

            __u32               len;                                                  /* 缓冲的长度                                                           */

            __u32               speed_hz;                                        /* 通信的时钟频率                                               */

            __u16               delay_usecs;                                    /* 两个spi_ioc_transfer之间的延时                        */

            __u8                 bits_per_word;                                /* 字长（比特数）                                                   */

            __u8                 cs_change;                                       /* 是否改变片选                                                       */

            __u32               pad;                              

};

       每个 spi_ioc_transfer都可以包含读和写的请求，其中读和写的长度必须相等。所以成员len不是tx_buf和rx_buf缓冲的长度之和，而是它们各自的长度。SPI控制器驱动会先将tx_buf写到SPI总线上，然后再读取len长度的内容到rx_buf。如果只想进行一个方向的传输，把另一个方向的缓冲置为0就可以了。

speed_hz和bits_per_word这两个成员可以为每次通信配置不同的通信速率（必须小于spi_device的max_speed_hz）和字长，如果它们为0的话就会使用spi_device中的配置。

delay_usecs可以指定两个spi_ioc_transfer之间的延时，单位是微妙。一般不用定义。

cs_change指定这个cs_change结束之后是否需要改变片选线。一般针对同一设备的连续的几个spi_ioc_transfer，只有最后一个需要将这个成员置位。这样省去了来回改变片选线的时间，有助于提高通信速率。

1.2     获得同SPI设备通信的设备节点

为了在用户空间获得和SPI设备直接通信的设备节点，必须有两个条件要满足：首先要有SPI控制器驱动，其次是要在内核初始化的时候注册一个spi_board_info，它的modalias成员必须为“spidev”。有了这两个条件，就可以和SPI设备进行通信了。控制器的驱动一般由芯片厂家提供，开发者只需提供第二个条件。

spi_board_info的定义如程序清单 1.3所示。

程序清单 1.3  struct spi_board_info

struct spi_board_info {

         char            modalias[32];                                            /* 要绑定的驱动的名字                                           */

         constvoid  *platform_data;                                        

         void            *controller_data;

         int               irq;            

         u32             max_speed_hz;                                         /* 通信时钟最大速率                                                        */

         u16             bus_num;                                                  /* 总线编号                                                               */

         u16             chip_select;                                               /* 片选号                                                                   */

         u8               mode;                                                        /* 和spi_device中的mode成员类似                      */

};

       要了解这个结构体各个成员的意义请参考程序清单 1.1。

       定义并注册structspi_board_info的位置一般是内核的arch/xxx/mach-xxxx/board-xxxx.c，比如3250的内核，这个文件是arch/arm/mach-lpc32xx/board-smartarm3250.c。定义并注册struct spi_board_info的代码如程序清单 1.4所示。

程序清单 1.4  定义并注册spi_board_info

static int __init smartarm3250_spi_usp_register(void)

{

         structspi_board_info info =

         {

                   .modalias= "spidev",

                   .max_speed_hz= 5000000,

                   .bus_num= 0,

                   .chip_select= 0,

         };

         returnspi_register_board_info(&info, 1);

}

arch_initcall(smartarm3250_spi_usp_register);

       由于3250内核代码在arch/arm/mach-lpc32xx/board-smartarm3250.c已经定义了一个smartarm3250_spi_eeprom_register函数，因此在增加程序清单 1.4代码前先将这个函数注释掉。

程序清单 1.4注册了一个挂在0号SPI总线上的设备信息，它的片选号为0。增加完这段代码后将内核重新编译。在内核启动的时候，会为这个设备建立一个spi_device并和0号SPI总线的驱动进行绑定。同时内核会为这个设备申请一个主设备号为153的的设备号，次设备号和注册的顺序有关，最多支持32个同类设备。

内核重新编译并重启之后，如果系统中运行了udev，/dev下就会生成一个spidevX.D设备节点，其中X是总线编号，D是片选号。对于程序清单 1.4的代码应该自动生成的设备节点是spidev0.0。

       一般SPI控制器驱动由芯片厂商提供，开发者所要在内核做的工作就是添加类似程序清单 1.4的内容。这样内核空间的工作减少了，用户空间的工作量加大了，因为用户空间的开发者需要全面了解SPI设备的工作方式和接口协议。

1.3     用户空间同设备节点的接口

       对于/dev/spidevX.D设备节点，可以进行各种操作，这一小节介绍它支持的函数接口。

1．  open/close

       打开和关闭设备节点没有特别之处，直接使用open/write就可以了。

2．  read/write

       读写SPI设备可以直接使用read/write函数，但是每次读或者写的大小不能大于4096Byte。

3．  IOCTL命令

       用户空间对spidev设备节点使用IOCTL命令失败会返回-1。

l        SPI_IOC_RD_MODE

读取SPI设备对应的spi_device.mode，mode的含义请参考程序清单 1.1。使用的方法如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MODE, &mode);

              其中第三个参数是一个uint8_t类型的变量。

l        SPI_IOC_WR_MODE

设置SPI设备对应的spi_device.mode。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

l SPI_IOC_RD_LSB_FIRST

查看设备传输的时候是否先传输低比特位。如果是的话，返回1。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_RD_LSB_FIRST, &lsb);

              其中lsb是一个uint8_t类型的变量。返回的结果存在lsb中。

l SPI_IOC_WR_LSB_FIRST

设置设备传输的时候是否先传输低比特位。当传入非零的时候，低比特在前，当传入0的时候高比特在前（默认）。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &lsb);

l SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD

读取SPI设备的字长。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &bits);

              其中bits是一个uibt8_t类型的变量。返回的结果保存在bits中。

l SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD

设置SPI通信的字长。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);

l SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ

读取SPI设备的通信的最大时钟频率。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed);

              其中speed是一个uint32_t类型的变量。返回的结果保存在speed中。

l SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ

设置SPI设备的通信的最大时钟频率。使用的方式如下：

                   ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);

l SPI_IOC_MESSAGE(N)

一次进行双向/多次读写操作。使用的方式如下：

                   structspi_ioc_transfer  xfer[2];

                   ......

                   status= ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);

其中N是本次通信中xfer的数组长度。spi_ioc_transfer的信息请参考程序清单 1.2。

/************************************************************************************/

如果想要在用户空间编写spi驱动，这就要在内核的arch/.../mach-*/board-*.c 中声明一个spi_board_info,
它的名字一定要是“spidev”，比如：

struct spi_board_info info =
{
  .modalias = "spidev",
  .max_speed_hz = 5000000,
  .bus_num = 0,
  .chip_select = 0,
};

return spi_register_board_info(&info, 1);
这样只要控制器驱动加载了，spidev模块就会和这个设备绑定，并为设备申请一个设备号，主设备号为153，次设备号和设备加载的次序有关。
目前spidev支持最多32个设备。设备的名字是spidevX.D，其中X是总线编号，D是设备的片选号。如果正确安装并配置了udev，/dev目录下便会生成spidevX.D
设备节点。直接对这些设备节点操作就行了。

spidev的设备节点的接口包括open/close/read/write/ioctl。
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其中open/close没有什么特别之处。
read/write的话有大小的限制，读写的大小默认不能超过4096字节。这个大小是一个模块加载参数，可以修改。
允许多个用户同时打开设备节点，spidev使用mutext进行互斥，多个用户同时读写时只有一个活动的用户，其他用户睡眠。

spidev的ioctl命令。
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SPI_IOC_RD_MODE：读取spi_device的mode。
SPI_IOC_RD_LSB_FIRST：如果是SPI_LSB_FIRST的方式则返回1。
SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD：读取spi_device的bits_per_word.
SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ:读取spi_device的max_speed_hz.

SPI_IOC_WR_MODE:设置spi_device的mode，并调用spi_setup立即使设置生效。
SPI_IOC_WR_LSB_FIRST：设置spi使用SPI_LSB_FIRST的传输模式。立即生效。
SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD：读取字长。
SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ：设置时钟速率。
无论读取，用户传输的第三个参数都被当作缓冲地址指针。读取时存放结果，写入时存放要写的内容。

SPI_IOC_MESSAGE：这个命令用来进行复杂的通信。参数涉及到一个结构体。各个成员的意义与spi_transfer一致。
struct spi_ioc_transfer {
__u64  tx_buf;
__u64  rx_buf;

__u32  len;
__u32  speed_hz;

__u16  delay_usecs;
__u8  bits_per_word;
__u8  cs_change;
__u32  pad;

/* If the contents of 'struct spi_ioc_transfer' ever change
  * incompatibly, then the ioctl number (currently 0) must change;
  * ioctls with constant size fields get a bit more in the way of
  * error checking than ones (like this) where that field varies.
  *
  * NOTE: struct layout is the same in 64bit and 32bit userspace.
  */
};
内核文档中一个例子：

static void do_msg(int fd, int len)
{
 struct spi_ioc_transfer xfer[2];
 unsigned char  buf[32], *bp;
 int status;
 memset(xfer, 0, sizeof xfer);
 memset(buf, 0, sizeof buf);
 if (len > sizeof buf)
  len = sizeof buf;
 buf[0] = 0xaa;
 xfer[0].tx_buf = (__u64) buf;
 xfer[0].len = 1;
 xfer[1].rx_buf = (__u64) buf;
 xfer[1].len = len;
 status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);
 if (status < 0) {
  perror("SPI_IOC_MESSAGE");
  return;
 }
 printf("response(%2d, %2d): ", len, status);
 for (bp = buf; len; len--)
  printf(" %02x", *bp++);
 printf("/n");
}

static void do_msg(int fd, int len) { struct spi_ioc_transfer xfer[2]; unsigned char buf[32], *bp; int status; memset(xfer, 0, sizeof xfer); memset(buf, 0, sizeof buf); if (len > sizeof buf) len = sizeof buf; buf[0] = 0xaa; xfer[0].tx_buf = (__u64) buf; xfer[0].len = 1; xfer[1].rx_buf = (__u64) buf; xfer[1].len = len; status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer); if (status < 0) { perror("SPI_IOC_MESSAGE"); return; } printf("response(%2d, %2d): ", len, status); for (bp = buf; len; len--) printf(" %02x", *bp++); printf("/n"); }

内核在documentation/spi目录下有spidev的例子。

注意

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虽然多个用户不能同一时刻对spi进行设置或读写，但是同一用户却无法组织其他用户修改同一设备的设置。

举例来说，usr1打开设备节点，然后使用ioctl设置了时钟速率，此时usr1线程被调度出去，然后usr2操作同一个设备，将它的时钟设为另一个值。

此时usr1重新调度去使用read函数，则达不到预期的效果。

建议不要有两个程序操作spidevX.D设备节点。