Linux内核中SPI总线驱动分析

本文主要有两个大的模块：一个是SPI总线驱动的分析 (研究了具体实现的过程)；

另一个是SPI总线驱动的编写（不用研究具体的实现过程）。

1 SPI概述

SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。

      SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要4根线，事实上3根也可以。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)，SDO(数据输出)，SCLK(时钟)，CS(片选)。

      MOSI(SDO)：主器件数据输出，从器件数据输入。

      MISO(SDI)：主器件数据输入，从器件数据输出。

      SCLK ：时钟信号，由主器件产生。

      CS：从器件使能信号，由主器件控制。

      其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效，这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。需要注意的是，在具体的应用中，当一条SPI总线上连接有多个设备时，SPI本身的CS有可能被其他的GPIO脚代替，即每个设备的CS脚被连接到处理器端不同的GPIO，通过操作不同的GPIO口来控制具体的需要操作的SPI设备，减少各个SPI设备间的干扰。

      SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位从MSB或者LSB开始传输的，这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，MISO、MOSI则基于此脉冲完成数据传输。 SPI支持4-32bits的串行数据传输，支持MSB和LSB，每次数据传输时当从设备的大小端发生变化时需要重新设置SPI Master的大小端。

2 Linux SPI驱动总体架构

在2.6的linux内核中，SPI的驱动架构可以分为如下三个层次：SPI 核心层、SPI控制器驱动层和SPI设备驱动层。

Linux 中SPI驱动代码位于drivers/spi目录。

2.1 SPI核心层

SPI核心层是Linux的SPI核心部分，提供了核心数据结构的定义、SPI控制器驱动和设备驱动的注册、注销管理等API。其为硬件平台无关层，向下屏蔽了物理总线控制器的差异，定义了统一的访问策略和接口；其向上提供了统一的接口，以便SPI设备驱动通过总线控制器进行数据收发。

Linux中，SPI核心层的代码位于driver/spi/ spi.c。由于该层是平台无关层，本文将不再叙述，有兴趣可以查阅相关资料。

2.2 SPI控制器驱动层

SPI控制器驱动层，每种处理器平台都有自己的控制器驱动，属于平台移植相关层。它的职责是为系统中每条SPI总线实现相应的读写方法。在物理上，每个SPI控制器可以连接若干个SPI从设备。

在系统开机时，SPI控制器驱动被首先装载。一个控制器驱动用于支持一条特定的SPI总线的读写。一个控制器驱动可以用数据结构struct spi_master来描述。

在include/liunx/spi/spi.h文件中，在数据结构struct spi_master定义如下：
struct spi_master {
    struct device   dev;
    s16         bus_num;
    u16         num_chipselect;
    int         (*setup)(struct spi_device *spi);
    int         (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);
    void        (*cleanup)(struct spi_device *spi);
};

bus_num为该控制器对应的SPI总线号。

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

     setup函数是设置SPI总线的模式，时钟等的初始化函数， 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。 

     transfer函数是实现SPI总线读写方法的函数。实现数据的双向传输，可能会睡眠

cleanup注销时候调用

2.3 SPI设备驱动层

SPI设备驱动层为用户接口层，其为用户提供了通过SPI总线访问具体设备的接口。

      SPI设备驱动层可以用两个模块来描述，structspi_driver和struct spi_device。

      相关的数据结构如下：

struct spi_driver {
    int         (*probe)(struct spi_device *spi);
    int         (*remove)(struct spi_device *spi);
    void            (*shutdown)(struct spi_device *spi);
    int         (*suspend)(struct spi_device *spi, pm_message_t mesg);
    int         (*resume)(struct spi_device *spi);
    struct device_driver    driver;
};

Driver是为device服务的，spi_driver注册时会扫描SPI
bus上的设备，进行驱动和设备的绑定，probe函数用于驱动和设备匹配时被调用。从上面的结构体注释中我们可以知道，SPI的通信是通过消息队列机制，而不是像I2C那样通过与从设备进行对话的方式。

struct spi_device {
    struct device       dev;
    struct spi_master   *master;
    u32         max_speed_hz;
    u8          chip_select;
    u8          mode;
    u8          bits_per_word;
    int         irq;
    void            *controller_state;
    void            *controller_data;
    char            modalias[32];
}; 

        .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],
通常来说spi_device对应着SPI总线上某个特定的slave。并且spi_device封装了一个spi_master结构体。spi_device结构体包含了私有的特定的slave设备特性，包括它最大的频率，片选那个，输入输出模式等等

3 OMAP3630 SPI控制器

OMAP3630上SPI是一个主/从的同步串行总线，这边有4个独立的SPI模块(SPI1，SPI2，SPI3，SPI4)，各个模块之间的区别在于SPI1支持多达4个SPI设备，SPI2和SPI3支持2个SPI设备，而SPI4只支持1个SPI设备。

SPI控制器具有以下特征：

1.可编程的串行时钟，包括频率，相位，极性。

2.支持4到32位数据传输

3.支持4通道或者单通道的从模式

4.支持主的多通道模式

4.1全双工/半双工

4.2只发送/只接收/收发都支持模式

4.3灵活的I/O端口控制

4.4每个通道都支持DMA读写

5.支持多个中断源的中断时间

6.支持wake-up的电源管理

7.内置64字节的FIFO

4 spi_device以下一系列的操作是在platform板文件中完成！

spi_device的板信息用spi_board_info结构体来描述：
struct spi_board_info {
charmodalias[SPI_NAME_SIZE];
const void*platform_data;
void*controller_data;
intirq;
u32max_speed_hz;
u16bus_num;
u16chip_select;
u8mode;
};

这个结构体记录了SPI外设使用的主机控制器序号、片选信号、数据比特率、SPI传输方式等构建的操作是以下的两个步骤：
1.spi_device就构建并注册
static struct spi_board_info s3c_spi_devs[] __initdata = {
{
.modalias = "m25p10a",
.mode = SPI_MODE_0,
.max_speed_hz = 1000000,
.bus_num = 0,
.chip_select = 0,
.controller_data = &smdk_spi0_csi[SMDK_MMCSPI_CS],
},
};

2.
而这个info在init函数调用的时候会初始化：
spi_register_board_info(s3c_spi_devs,ARRAY_SIZE(s3c_spi_devs));

在板文件中添加spi_board_info，并在板文件的init函数中调用

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注册到链表board_list上。spi_device封装了一个spi_master结构体，事实上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。

至此spi_device就构建并注册完成了！！！！！！！！！！！！！

5 spi_driver的构建与注册

driver有几个重要的结构体：spi_driver、spi_transfer、spi_message

driver有几个重要的函数   
：spi_message_init、spi_message_add_tail、spi_sync

（1） spi_driver的构建
static struct spi_driver   m25p80_driver = {
.driver = {
        .name   ="m25p80",
        .bus    =&spi_bus_type,
        .owner  = THIS_MODULE,
    },
    .probe  = m25p_probe,
    .remove =__devexit_p(m25p_remove),
};
（2）spi_driver的注册
spi_register_driver(&m25p80_driver);//在有匹配的spi_device时，会调用m25p_probe

（3）实现probe操作
probe里完成了spi_transfer、spi_message的构建；
spi_message_init、spi_message_add_tail、spi_sync、spi_write_then_read函数的调用。

spi_transfer(里面集成了数据buf空间地址等信息)
spi_message（是spi_transfer的集合）的构建）
spi_message_init（初始化spi_message）
spi_message_add_tail（将新的spi_transfer添加到spi_message队列尾部）
spi_sync函数的调用（调用spi_master发送spi_message）
 spi_write_then_read（先写后读）

例如：

struct spi_transfer st={
 …………
};//填充spi_transfer
struct spi_message meg；//定义message
spi_init_message(&meg)；//初始化meg
spi_message_add_tail(&st,&meg);//将st放在message队列尾部
Spi_sync(spi_device,&meg);//将message与spi_device关联，发送meg

static int m25p10a_read( struct m25p10a *flash, loff_t from,
        size_t len, char *buf )
{
    int r_count = 0, i;
    struct spi_transfer st[2];
    struct spi_message  msg;  

    spi_message_init( &msg );
    memset( st, 0, sizeof(st) );  

    flash->cmd[0] = CMD_READ_BYTES;
    flash->cmd[1] = from >> 16;
    flash->cmd[2] = from >> 8;
    flash->cmd[3] = from;  

    st[ 0 ].tx_buf = flash->cmd;
    st[ 0 ].len = CMD_SZ;
    spi_message_add_tail( &st[0], &msg );  

    st[ 1 ].rx_buf = buf;
    st[ 1 ].len = len;
    spi_message_add_tail( &st[1], &msg );  

    mutex_lock( &flash->lock );  

    /* Wait until finished previous write command. */
    if (wait_till_ready(flash)) {
        mutex_unlock( &flash->lock );
        return -1;
    }  

    spi_sync( flash->spi, &msg );
    r_count = msg.actual_length - CMD_SZ;
    printk( "in (%s): read %d bytes\n", __func__, r_count );
    for( i = 0; i < r_count; i++ ) {
        printk( "0x%02x\n", buf[ i ] );
    }  

    mutex_unlock( &flash->lock );  

    return 0;
}  

static int m25p10a_write( struct m25p10a *flash, loff_t to,
        size_t len, const char *buf )
{
    int w_count = 0, i, page_offset;
    struct spi_transfer st[2];
    struct spi_message  msg;
    write_enable( flash );  //写使能
        spi_message_init( &msg );
    memset( st, 0, sizeof(st) );  

    flash->cmd[0] = CMD_PAGE_PROGRAM;
    flash->cmd[1] = to >> 16;
    flash->cmd[2] = to >> 8;
    flash->cmd[3] = to;  

    st[ 0 ].tx_buf = flash->cmd;
    st[ 0 ].len = CMD_SZ;
  //填充spi_transfer，将transfer放在队列后面
    spi_message_add_tail( &st[0], &msg );
    st[ 1 ].tx_buf = buf;
    st[ 1 ].len = len;
    spi_message_add_tail( &st[1], &msg );
        spi_sync( flash->spi, &msg );   调用spi_master发送spi_message

    return 0;
} 

static int m25p10a_probe(struct spi_device *spi)
{
    int ret = 0;
    struct m25p10a  *flash;
    char buf[ 256 ];
    flash = kzalloc( sizeof(struct m25p10a), GFP_KERNEL );
    flash->spi = spi;
    /* save flash as driver's private data */
    spi_set_drvdata( spi, flash );
    memset( buf, 0x7, 256 );
    m25p10a_write( flash, 0, 20, buf); //0地址写入20个7
    memset( buf, 0, 256 );
    m25p10a_read( flash, 0, 25, buf ); //0地址读出25个数
    return 0;
}   

到目前为止，完成了SPI的驱动和应用。