SPI驱动框架源码分析(下)

当应用层要向设备传输数据的时候，会通过ioctl向设备驱动发送传输数据的命令。如图，向SPI从设备发送读写命令，实际的读写操作还是调用了主机控制器驱动的数据传输函数。transfer函数用于spi的IO传输。但是，transfer函数一般不会执行真正的传输操作，而是把要传输的内容放到一个队列里，然后调用一种类似底半部的机制进行真正的传输。这是因为,spi总线一般会连多个spi设备，而spi设备间的访问可能会并发。如果直接在transfer函数中实现传输，那么会产生竞态，spi设备互相间会干扰。所以，真正的spi传输与具体的spi控制器的实现有关，spi的框架代码中没有涉及。像spi设备的片选，根据具体设备进行时钟调整等等都在实现传输的代码中被调用。spi的传输命令都是通过结构spi_message定义，设备程序调用transfer函数将spi_message交给spi总线驱动，总线驱动再将message传到底半部排队，实现串行化传输。

在spidev.c中实现了file_operations：

"font-size: 18px;">static struct file_operations spidev_fops = {
    .owner =    THIS_MODULE,
    .write =    spidev_write,
    .read =     spidev_read,
    .unlocked_ioctl = spidev_ioctl,
    .open =     spidev_open,
    .release =  spidev_release,
};

这里看spidev_ioctl的实现：

"font-size: 18px;">static long
spidev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    int         err = 0;
    int         retval = 0;
    struct spidev_data  *spidev;
    struct spi_device   *spi;
    u32         tmp;
    unsigned        n_ioc;
    struct spi_ioc_transfer *ioc;

    /*查看这个命令的幻数字段是否为'k'*/
    if (_IOC_TYPE(cmd) != SPI_IOC_MAGIC)
        return -ENOTTY;

    /*如果方向是用户空间从内核读，即内核向用户空间写，则检查用户空间的地址是否有效*/
    if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
        err = !access_ok(VERIFY_WRITE,
                (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    /*如果方向是用户空间向内核写，即内核读用户空间，则检查用户空间的地址是否有效*/
    if (err == 0 && _IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
        err = !access_ok(VERIFY_READ,
                (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    if (err)
        return -EFAULT;

    /* guard against device removal before, or while,
     * we issue this ioctl.
     */
    spidev = filp->private_data;
    spin_lock_irq(&spidev->spi_lock);
    spi = spi_dev_get(spidev->spi);
    spin_unlock_irq(&spidev->spi_lock);

    if (spi == NULL)
        return -ESHUTDOWN;

    mutex_lock(&spidev->buf_lock);

    switch (cmd) {
    /* read requests */
    case SPI_IOC_RD_MODE:
        /*因为已经进行了地址是否有效的检查，所以这里使用__put_user,__get_user,__copy_from_user可以节省几个时钟周期呢*/
        retval = __put_user(spi->mode & SPI_MODE_MASK,
                    (__u8 __user *)arg);
        break;
    case SPI_IOC_RD_LSB_FIRST:
        retval = __put_user((spi->mode & SPI_LSB_FIRST) ?  1 : 0,
                    (__u8 __user *)arg);
        break;
    case SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD:
        retval = __put_user(spi->bits_per_word, (__u8 __user *)arg);
        break;
    case SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ:
        retval = __put_user(spi->max_speed_hz, (__u32 __user *)arg);
        break;

    /*设置SPI模式*/
    case SPI_IOC_WR_MODE:
        retval = __get_user(tmp, (u8 __user *)arg);
        if (retval == 0) {
            /*先将之前的模式保存起来，一旦设置失败进行回复*/
            u8  save = spi->mode;

            if (tmp & ~SPI_MODE_MASK) {
                retval = -EINVAL;
                break;
            }

            tmp |= spi->mode & ~SPI_MODE_MASK;
            spi->mode = (u8)tmp;
            retval = spi_setup(spi);
            if (retval < 0)
                spi->mode = save;
            else
                dev_dbg(&spi->dev, "spi mode %02x\n", tmp);
        }
        break;
    case SPI_IOC_WR_LSB_FIRST:
        retval = __get_user(tmp, (__u8 __user *)arg);
        if (retval == 0) {
            u8  save = spi->mode;

            if (tmp)
                spi->mode |= SPI_LSB_FIRST;
            else
                spi->mode &= ~SPI_LSB_FIRST;
            retval = spi_setup(spi);
            if (retval < 0)
                spi->mode = save;
            else
                dev_dbg(&spi->dev, "%csb first\n",
                        tmp ? 'l' : 'm');
        }
        break;
    case SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD:
        retval = __get_user(tmp, (__u8 __user *)arg);
        if (retval == 0) {
            u8  save = spi->bits_per_word;

            spi->bits_per_word = tmp;
            retval = spi_setup(spi);
            if (retval < 0)
                spi->bits_per_word = save;
            else
                dev_dbg(&spi->dev, "%d bits per word\n", tmp);
        }
        break;
    case SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ:
        retval = __get_user(tmp, (__u32 __user *)arg);
        if (retval == 0) {
            u32 save = spi->max_speed_hz;

            spi->max_speed_hz = tmp;
            retval = spi_setup(spi);
            if (retval < 0)
                spi->max_speed_hz = save;
            else
                dev_dbg(&spi->dev, "%d Hz (max)\n", tmp);
        }
        break;

    default:
        /* segmented and/or full-duplex I/O request */
        if (_IOC_NR(cmd) != _IOC_NR(SPI_IOC_MESSAGE(0))
                || _IOC_DIR(cmd) != _IOC_WRITE) {
            retval = -ENOTTY;
            break;
        }
        /*得到用户空间数据的大小*/
        tmp = _IOC_SIZE(cmd);
        /*如果这些数据不能分成spi_ioc_transfer的整数倍，则不能进行传输，spi_io_transfer是对spi_transfer的映射*/
        if ((tmp % sizeof(struct spi_ioc_transfer)) != 0) {
            retval = -EINVAL;
            break;
        }
        /*计算出能分多少个spi_ioc_transfer*/
        n_ioc = tmp / sizeof(struct spi_ioc_transfer);
        if (n_ioc == 0)
            break;

        /*在内核中分配装载这些数据的内存空间*/
        ioc = kmalloc(tmp, GFP_KERNEL);
        if (!ioc) {
            retval = -ENOMEM;
            break;
        }
        /*把用户空间的数据拷贝过来*/
        if (__copy_from_user(ioc, (void __user *)arg, tmp)) {
            kfree(ioc);
            retval = -EFAULT;
            break;
        }

        /*进行数据传输*/
        "color: #ff0000;">retval = spidev_message(spidev, ioc, n_ioc);
        kfree(ioc);
        break;
    }

    mutex_unlock(&spidev->buf_lock);
    spi_dev_put(spi);
    return retval;
}

下面跟踪spidev_message看看：

"font-size: 18px;">static int spidev_message(struct spidev_data *spidev,
        struct spi_ioc_transfer *u_xfers, unsigned n_xfers)
{
    struct spi_message  msg;
    struct spi_transfer *k_xfers;
    struct spi_transfer *k_tmp;
    struct spi_ioc_transfer *u_tmp;
    unsigned        n, total;
    u8          *buf;
    int         status = -EFAULT;
    /*初始化spi_message的tranfers链表头*/
    spi_message_init(&msg);
    /*分配n个spi_transfer的内存空间，一个spi_message由多个数据段spi_message组成*/
    k_xfers = kcalloc(n_xfers, sizeof(*k_tmp), GFP_KERNEL);
    if (k_xfers == NULL)
        return -ENOMEM;

    buf = spidev->buffer;
    total = 0;
    /*这个for循环的主要任务是将所有的spi_transfer组装成一个spi_message*/
    for (n = n_xfers, k_tmp = k_xfers, u_tmp = u_xfers;
            n;
            n--, k_tmp++, u_tmp++) {
        /*u_tmp是从用户空间传下来的spi_ioc_message的大小，spi_ioc_message是对spi_message的映射*/
        k_tmp->len = u_tmp->len;
        /*统计要传输数据的总量*/
        total += k_tmp->len;
        if (total > bufsiz) {
            status = -EMSGSIZE;
            goto done;
        }
        /*spi_transfer是一个读写的buffer对，如果是要接收则把buffer给接收的rx_buf*/
        if (u_tmp->rx_buf) {
            k_tmp->rx_buf = buf;
            if (!access_ok(VERIFY_WRITE, (u8 __user *)
                        (uintptr_t) u_tmp->rx_buf,
                        u_tmp->len))
                goto done;
        }
        /*如果要传输，这个buffer给tx_buf使用，从用户空间拷过来要传输的数据*/
        if (u_tmp->tx_buf) {
            k_tmp->tx_buf = buf;
            if (copy_from_user(buf, (const u8 __user *)
                        (uintptr_t) u_tmp->tx_buf,
                    u_tmp->len))
                goto done;
        }
        /*指向下一段内存*/
        buf += k_tmp->len;
        /*最后一个transfer传输完毕是否会影响片选*/
        k_tmp->cs_change = !!u_tmp->cs_change;
        /*每字长的字节数*/
        k_tmp->bits_per_word = u_tmp->bits_per_word;
        /*一段数据传输完需要一定的时间等待*/
        k_tmp->delay_usecs = u_tmp->delay_usecs;
        /*初始化传输速度*/
        k_tmp->speed_hz = u_tmp->speed_hz;
        /*将spi_transfer通过它的transfer_list字段挂到spi_message的transfer队列上*/
        spi_message_add_tail(k_tmp, &msg);
    }
    /*调用底层的传输函数*/
    "color: #ff0000;">status = spidev_sync(spidev, &msg);
    if (status < 0)
        goto done;

    /* copy any rx data out of bounce buffer */
    buf = spidev->buffer;
    /*把传输数据拷贝到用户空间打印出来，可以查看是否传输成功*/
    for (n = n_xfers, u_tmp = u_xfers; n; n--, u_tmp++) {
        if (u_tmp->rx_buf) {
            if (__copy_to_user((u8 __user *)
                    (uintptr_t) u_tmp->rx_buf, buf,
                    u_tmp->len)) {
                status = -EFAULT;
                goto done;
            }
        }
        buf += u_tmp->len;
    }
    status = total;

done:
    kfree(k_xfers);
    return status;
}

看spidev_sync的实现：

"font-size: 18px;">static ssize_t
spidev_sync(struct spidev_data *spidev, struct spi_message *message)
{
    /*声明并初始化一个完成量*/
    DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done);
    int status;
    /*指定spi_message使用的唤醒完成量函数*/
    message->complete = spidev_complete;
    message->context = &done;

    spin_lock_irq(&spidev->spi_lock);
    if (spidev->spi == NULL)
        status = -ESHUTDOWN;
    else
        /*调用spi核心中的函数进行数据传输*/
    "color: #ff0000;">    status = spi_async(spidev->spi, message);
    spin_unlock_irq(&spidev->spi_lock);

    if (status == 0) {
        /*等待完成量被唤醒*/
        wait_for_completion(&done);
        status = message->status;
        if (status == 0)
            status = message->actual_length;
    }
    return status;
}

spi_async在spi.h中定义的：

"font-size: 18px;">static inline int
spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
    message->spi = spi;
    return spi->master->transfer(spi, message);
}

这里的master->transfer是在spi_bitbang_start中进行赋值的:

bitbang->master->transfer= spi_bitbang_transfer;

看spi_bitbang_transfer的实现：

"font-size: 18px;">int spi_bitbang_transfer(struct spi_device *spi, struct spi_message *m)
{
    struct spi_bitbang  *bitbang;
    unsigned long       flags;
    int         status = 0;

    m->actual_length = 0;
    m->status = -EINPROGRESS;
    /*在spi_alloc_master函数中调用spi_master_set_devdata把struct s3c24xx_spi结构存放起来，而struct spi_bitbang正是struct s3c24xx_spi结构所包含的第一个结构*/
    bitbang = spi_master_get_devdata(spi->master);

    spin_lock_irqsave(&bitbang->lock, flags);
    if (!spi->max_speed_hz)
        status = -ENETDOWN;
    else {
        /*把message加入到bitbang的等待队列中*/
        list_add_tail(&m->queue, &bitbang->queue);
        /*把bitbang-work加入bitbang->workqueue中，调度运行*/
        queue_work(bitbang->workqueue, &bitbang->work);
    }
    spin_unlock_irqrestore(&bitbang->lock, flags);

    return status;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_bitbang_transfer);

分析工作队列的处理函数：

"font-size: 18px;">static void bitbang_work(struct work_struct *work)
{
    struct spi_bitbang  *bitbang =
        container_of(work, struct spi_bitbang, work);
    unsigned long       flags;

    spin_lock_irqsave(&bitbang->lock, flags);
    /*设置成忙状态*/
    bitbang->busy = 1;
    /*对bitqueue中的每一个spi_message进行处理*/
    while (!list_empty(&bitbang->queue)) {
        struct spi_message  *m;
        struct spi_device   *spi;
        unsigned        nsecs;
        struct spi_transfer *t = NULL;
        unsigned        tmp;
        unsigned        cs_change;
        int         status;
        int         (*setup_transfer)(struct spi_device *,
                        struct spi_transfer *);

        m = container_of(bitbang->queue.next, struct spi_message,
                queue);
        /*从队列中驱动这个spi_message*/
        list_del_init(&m->queue);
        spin_unlock_irqrestore(&bitbang->lock, flags);

        nsecs = 100;

        spi = m->spi;
        tmp = 0;
        cs_change = 1;
        status = 0;
        setup_transfer = NULL;
        /*对spi_message的transfers上的每个spi_transfer进行处理*/
        list_for_each_entry (t, &m->transfers, transfer_list) {
        。。。。。。。。。。。。。。。。。
            if (t->len) {
                if (!m->is_dma_mapped)
                    t->rx_dma = t->tx_dma = 0;
                /*调用bitbang->txrx_bufs进行数据的传输，bitbang->txrx_bufs = s3c24xx_spi_txrx;这个在s3c24xx_spi_probe中进行赋值的*/
                "color: #ff0000;">status = bitbang->txrx_bufs(spi, t);
            }
        。。。。。。。。。。。。。。。。

        m->status = status;
        /*传输完成，唤醒刚才的那个完成变量*/
        m->complete(m->context);

        /* restore speed and wordsize */
        if (setup_transfer)
            setup_transfer(spi, NULL);
        if (!(status == 0 && cs_change)) {
            ndelay(nsecs);
            bitbang->chipselect(spi, BITBANG_CS_INACTIVE);
            ndelay(nsecs);
        }

        spin_lock_irqsave(&bitbang->lock, flags);
    }
    bitbang->busy = 0;
    spin_unlock_irqrestore(&bitbang->lock, flags);
}

这个工作队列的处理函数中调用了spi controller driver中的传输函数：

"font-size: 18px;">static int s3c24xx_spi_txrx(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *t)
{
    struct s3c24xx_spi *hw = to_hw(spi);

    dev_dbg(&spi->dev, "txrx: tx %p, rx %p, len %d\n",
        t->tx_buf, t->rx_buf, t->len);

    hw->tx = t->tx_buf;  //发送指针
    hw->rx = t->rx_buf;  //接收指针
    hw->len = t->len;    //需要发送/接收的数目
    hw->count = 0;       //存放实际spi传输的数据数目
    /*初始化了完成量*/
    init_completion(&hw->done);

    /*
     *只需发送第一个字节(如果发送为空，则发送0xff)，中断中就会自动发送完其他字节(并接受数据)
     *直到所有数据发送完毕且所有数据接收完毕才返回
     */
    writeb(hw_txbyte(hw, 0), hw->regs + S3C2410_SPTDAT);
    /*等待完成量被唤醒*/
    wait_for_completion(&hw->done);
    return hw->count;
}
static inline unsigned int hw_txbyte(struct s3c24xx_spi *hw, int count)
{
        return hw->tx ? hw->tx[count] : 0xff;
        //如果还有数据没接收完且要发送的数据经已发送完毕，发送空数据0xFF
}

下面来分析中断函数：

"font-size: 18px;">static irqreturn_t s3c24xx_spi_irq(int irq, void *dev)
{
    struct s3c24xx_spi *hw = dev;
    /*读取spi的状态寄存器*/
    unsigned int spsta = readb(hw->regs + S3C2410_SPSTA);
    unsigned int count = hw->count;
    /*检测冲突*/
    if (spsta & S3C2410_SPSTA_DCOL) {
        dev_dbg(hw->dev, "data-collision\n");
        /*唤醒完成量*/
        complete(&hw->done);
        goto irq_done;
    }
    /*设备忙*/
    if (!(spsta & S3C2410_SPSTA_READY)) {
        dev_dbg(hw->dev, "spi not ready for tx?\n");
        /*唤醒完成量*/
        complete(&hw->done);
        goto irq_done;
    }

    hw->count++;
    /*接收数据*/
    if (hw->rx)
        hw->rx[count] = readb(hw->regs + S3C2410_SPRDAT);

    count++;
    /*如果count小于需要发送或接收数据的数目，发送其他数据*/
    if (count < hw->len)
        writeb(hw_txbyte(hw, count), hw->regs + S3C2410_SPTDAT);
    else
        /*唤醒完成量，通知s3c24xx_spi_txrx函数*/
        complete(&hw->done);

 irq_done:
    return IRQ_HANDLED;
}

至此spi数据传输过程完成，如果不想为自己的SPI设备写驱动，那么可以用Linux自带的spidev.c提供的驱动程序，只要在登记时，把设备名设置成spidev就可以了。spidev.c会在device目录下自动为每一个匹配的SPI设备创建设备节点，节点名"spi%d"。之后，用户程序可以通过字符型设备的通用接口控制SPI设备。需要注意的是，spidev创建的设备在设备模型中属于虚拟设备，他的class是spidev_class，他的父设备是在boardinfo中定义的spi设备