Linux下spi驱动开发

Linux下spi驱动开发

作者：刘洪涛,讲师。

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。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);