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Qualcomm平臺的SPI驅動框架分析

阿新 • • 發佈：2019-01-29
  1. 一、SPI匯流排概述
  2. SPI是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是序列外圍裝置介面，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI介面主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字訊號處理器和數字訊號解碼器之間。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通訊匯流排，並且在晶片的管腳上只佔用四根線，節約了晶片的管腳，同時為PCB的佈局上節省空間，提供方便。
  3. SPI的通訊原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主裝置和一個或多個從裝置，需要4根線，事實上3根也可以。也是所有基於SPI的裝置共有的，它們是SDI(
    資料輸入)，SDO(資料輸出)，SCLK(時鐘)，CS(片選)。
  4. MOSI(SDO)：主器件資料輸出，從器件資料輸入。
  5. MISO(SDI)：主器件資料輸入，從器件資料輸出。
  6. SCLK ：時鐘訊號，由主器件產生。
  7. CS：從器件使能訊號，由主器件控制。
  8. 其中CS是控制晶片是否被選中的，也就是說只有片選訊號為預先規定的使能訊號時（高電位或低電位），對此晶片的操作才有效，這就允許在同一總線上連線多個SPI裝置成為可能。需要注意的是，在具體的應用中，當一條SPI總線上連線有多個裝置時，SPI本身的CS有可能被其他的GPIO腳代替，即每個裝置的CS腳被連線到處理器端不同的GPIO，通過操作不同的GPIO口來控制具體的需要操作的SPI裝置，減少各個SPI裝置間的干擾。
  9. SPI是序列通訊協議，也就是說資料是一位一位從MSB或者LSB開始傳輸的，這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘脈衝，MISO、MOSI則基於此脈衝完成資料傳輸。 SPI支援4-32bits的序列資料傳輸，支援MSB和LSB，每次資料傳輸時當從裝置的大小端發生變化時需要重新設定SPI Master的大小端。
  10. 二、Linux SPI驅動總體架構
  11. 在2.6的linux核心中，SPI的驅動架構可以分為如下三個層次：SPI 核心層、SPI控制器驅動層和SPI裝置驅動層。Linux 中SPI驅動程式碼位於drivers/spi目錄。
  12. 1.SPI核心層
  13. SPI核心層是Linux的SPI核心部分，提供了核心資料結構的定義、SPI控制器驅動和裝置驅動的註冊、登出管理等API。其為硬體平臺無關層，向下遮蔽了物理匯流排控制器的差異，定義了統一的訪問策略和介面；其向上提供了統一的介面，以便SPI裝置驅動通過匯流排控制器進行資料收發。
  14. Linux中，SPI核心層的程式碼位於driver/spi/spi.c。
  15. 2.SPI控制器驅動層
  16. SPI控制器驅動層，每種處理器平臺都有自己的控制器驅動，屬於平臺移植相關層。它的職責是為系統中每條SPI匯流排實現相應的讀寫方法。在物理上，每個SPI控制器可以連線若干個SPI從裝置。
  17. 在系統開機時，SPI控制器驅動被首先裝載。一個控制器驅動用於支援一條特定的SPI匯流排的讀寫。一個控制器驅動可以用資料結構struct spi_master來描述。
  18. 3.SPI裝置驅動層
  19. SPI裝置驅動層為使用者介面層，其為使用者提供了通過SPI匯流排訪問具體裝置的介面。
  20. SPI裝置驅動層可以用兩個模組來描述，struct spi_driver和struct spi_device。
  21. Driver是為device服務的，spi_driver註冊時會掃描SPI bus上的裝置，進行驅動和裝置的繫結，probe函式用於驅動和裝置匹配時被呼叫。從上面的結構體註釋中我們可以知道，SPI的通訊是通過訊息佇列機制，而不是像I2C那樣通過與從裝置進行對話的方式。
  22. 三、spi子系統主要資料結構
  23. 1.在Linux中，使用spi_master結構來描述一個SPI主機控制器的驅動。
  24. struct spi_master { 
  25.     struct device dev; 
  26.     s16 bus_num; //為該控制器對應的SPI匯流排號
  27.     u16 num_chipselect; //控制器支援的片選數量，即能支援多少個spi裝置，從裝置的片選號不能大於這個數量
  28.     u16 dma_alignment; 
  29.     int (*setup)(struct spi_device *spi);//函式是設定SPI匯流排的模式，時鐘等的初始化函式， 針對裝置設定SPI的工作時鐘及資料傳輸模式等。在spi_add_device函式中呼叫
  30.     int (*transfer)(struct spi_device *spi,struct spi_message *mesg);//實現SPI匯流排讀寫方法的函式。實現資料的雙向傳輸，可能會睡眠 
  31.     void (*cleanup)(struct spi_device *spi); //登出時候呼叫
  32. };
  33. //分配，註冊和登出的SPI主機的API由SPI核心提供：
  34. struct spi_master *spi_alloc_master(struct device *host, unsigned size); 
  35. int spi_register_master(struct spi_master *master); 
  36. void spi_unregister_master(struct spi_master *master); 
  37. 2.在Linux中用spi_driver來描述一個SPI外設驅動。
  38. struct spi_driver {
  39.     const struct spi_device_id *id_table;//匹配的裝置表
  40.     int            (*probe)(struct spi_device *spi);
  41.     int            (*remove)(struct spi_device *spi);
  42.     void        (*shutdown)(struct spi_device *spi);
  43.     int            (*suspend)(struct spi_device *spi, pm_message_t mesg);
  44.     int            (*resume)(struct spi_device *spi);
  45.     struct device_driver    driver;
  46. }; 
  47. 3.Linux用spi_device來描述一個SPI外設裝置。
  48. struct spi_device { 
  49.     struct device        dev;
  50.     struct spi_master    *master;//對應的控制器指標
  51.     u32            max_speed_hz;//spi通訊的時鐘
  52.     u8            chip_select; //片選，用於區分同一總線上的不同裝置
  53.     u8            mode;
  54. #define    SPI_CPHA    0x01            /* clock phase */
  55. #define    SPI_CPOL    0x02            /* clock polarity */
  56. #define    SPI_MODE_0    (0|0)            /* (original MicroWire) */
  57. #define    SPI_MODE_1    (0|SPI_CPHA)
  58. #define    SPI_MODE_2    (SPI_CPOL|0)
  59. #define    SPI_MODE_3    (SPI_CPOL|SPI_CPHA)
  60. #define    SPI_CS_HIGH    0x04            /* chipselect active high? */
  61. #define    SPI_LSB_FIRST    0x08            /* per-word bits-on-wire */
  62. #define    SPI_3WIRE    0x10            /* SI/SO signals shared */
  63. #define    SPI_LOOP    0x20            /* loopback mode */
  64. #define    SPI_NO_CS    0x40            /* 1 dev/bus, no chipselect */
  65. #define    SPI_READY    0x80            /* slave pulls low to pause */
  66.     u8            bits_per_word;//每個字長的位元數
  67.     int            irq;//使用的中斷號
  68.     void            *controller_state;
  69.     void            *controller_data;
  70.     char            modalias[SPI_NAME_SIZE];//名字 
  71. }; 
  72. 看這三個結構的關係，這裡spi_device與spi_master是同一個父裝置，這是在spi_new_device函式中設定的，一般這個裝置是一個物理裝置。

  74. 4.為了解決多個不同的SPI裝置共享SPI控制器而帶來的訪問衝突，spi_bitbang使用核心提供的工作佇列(workqueue)。 workqueue是Linux核心中定義的一種回撥處理方式。採用這種方式需要傳輸資料時，不直接完成資料的傳輸，而是將要傳輸的工作分裝成相應的訊息 (spi_message)，傳送給對應的workqueue，由與workqueue關聯的核心守護執行緒(daemon)負責具體的執行。由於 workqueue會將收到的訊息按時間先後順序排列，這樣就是對裝置的訪問嚴格序列化，解決了衝突。
  75. struct spi_bitbang { 
  76.     struct workqueue_struct *workqueue;//工作佇列頭 
  77.     struct work_struct work;//每一次傳輸都傳遞下來一個spi_message，都向工作佇列頭新增一個 
  78.     workspinlock_t lock; 
  79.     struct list_head queue;//掛接spi_message，如果上一次的spi_message還沒有處理完，接下來的spi_message就掛接在queue上等待處理 
  80.     u8 busy;//忙碌標誌 
  81.     u8 use_dma; 
  82.     u8 flags; 
  83.     struct spi_master *master;//指向spi控制器
  84.     int (*setup_transfer)(struct spi_device *spi,struct spi_transfer *t);//設定傳輸模式 
  85.     void (*chipselect)(struct spi_device *spi, int is_on);//片選 
  86. #define BITBANG_CS_ACTIVE 1 /* normally nCS, active low */ 
  87. #define BITBANG_CS_INACTIVE 0 
  88.     int (*txrx_bufs)(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *t);//傳輸函式
  89.     u32 (*txrx_word[4])(struct spi_device *spi,unsigned nsecs,u32 word, u8 bits); 
  90. }; 
  91. 5.下面來看看spi_message：
  92. struct spi_message { 
  93.     struct list_head transfers; //此次訊息的傳輸佇列，一個訊息可以包含多個傳輸段 
  94.     struct spi_device *spi; //傳輸的目的裝置 
  95.     unsigned is_dma_mapped:1; //如果為真，此次呼叫提供dma和cpu虛擬地址 
  96.     void (*complete)(void *context); //非同步呼叫完成後的回撥函式 
  97.     void *context; //回撥函式的引數 
  98.     unsigned actual_length; //此次傳輸的實際長度 
  99.     int status; //執行的結果，成功被置0，否則是一個負的錯誤碼 
  100.     struct list_head queue; 
  101.     void *state; 
  102. }; 
  103. 在有訊息需要傳遞的時候，會將spi_transfer通過自己的transfer_list欄位掛到spi_message的transfers連結串列頭上。spi_message用來原子的執行spi_transfer表示的一串陣列傳輸請求。這個傳輸佇列是原子的，這意味著在這個訊息完成之前不會有其 他訊息佔用匯流排。訊息的執行總是按照FIFO的順序。
  104. 6.下面看一看spi_transfer：
  105. struct spi_transfer { 
  106.     const void *tx_buf; //要寫入裝置的資料(必須是dma_safe)，或者為NULL 
  107.     void *rx_buf; //要讀取的資料緩衝(必須是dma_safe)，或者為NULL 
  108.     unsigned len; //tx和rx的大小(位元組數),這裡不是指它的和，而是各自的長度，他們總是相等的 
  109.     dma_addr_t tx_dma; //如果spi_message.is_dma_mapped是真，這個是tx的dma地址 
  110.     dma_addr_t rx_dma; //如果spi_message.is_dma_mapped是真，這個是rx的dma地址 
  111.     unsigned cs_change:1; //影響此次傳輸之後的片選，指示本次tranfer結束之後是否要重新片選並呼叫setup改變設定，這個標誌可以較少系統開銷u8 
  112.     bits_per_word; //每個字長的位元數，如果是0，使用預設值 
  113.     u16 delay_usecs; //此次傳輸結束和片選改變之間的延時，之後就會啟動另一個傳輸或者結束整個訊息 
  114.     u32 speed_hz; //通訊時鐘。如果是0，使用預設值 
  115.     struct list_head transfer_list; //用來連線的雙向連結串列節點 
  116. };
  117. 7.spi控制器驅動的私有資料
  118. struct davinci_spi {
  119.     struct spi_bitbang    bitbang;
  120.     struct clk        *clk;//時鐘
  121.     u8            version;
  122.     resource_size_t        pbase;//spi暫存器實體地址
  123.     void __iomem        *base;//spi暫存器虛擬地址
  124.     u32            irq;//spi中斷號
  125.     struct completion    done;
  126.     const void    *tx;//傳送buffer
  127.     void            *rx;//讀buffer
  128. #define SPI_TMP_BUFSZ    (SMP_CACHE_BYTES + 1)
  129.     u8            rx_tmp_buf[SPI_TMP_BUFSZ];
  130.     int            rcount;//讀資料個數
  131.     int            wcount;//寫資料個數
  132.     struct davinci_spi_dma    dma;
  133.     struct davinci_spi_platform_data *pdata;
  134.     void        (*get_rx)(u32 rx_data, struct davinci_spi *);//讀資料函式
  135.     u32            (*get_tx)(struct davinci_spi *);//傳送資料函式
  136.     u8            bytes_per_word[SPI_MAX_CHIPSELECT];
  137.     u32            speed;
  138.     u32            cs_num;
  139.     bool        in_use;
  140. #ifdef CONFIG_CPU_FREQ
  141.     struct notifier_block freq_transition;
  142. #endif
  143. };
  144. 四、spi驅動初始化
  145. 1.spi匯流排註冊
  146. //spi匯流排結構
  147. struct bus_type spi_bus_type = {
  148.     .name        = "spi",
  149.     .dev_attrs    = spi_dev_attrs,
  150.     .match        = spi_match_device,
  151.     .uevent        = spi_uevent,
  152.     .suspend    = spi_suspend,
  153.     .resume        = spi_resume,
  154. };
  155. //spi_master類，會在sysfs檔案系統建立該類
  156. static struct class spi_master_class = {
  157.     .name        = "spi_master",
  158.     .owner        = THIS_MODULE,
  159.     .dev_release    = spi_master_release,
  160. };
  161. static int __init spi_init(void)
  162. {
  163.     int    status;
  164.     buf = kmalloc(SPI_BUFSIZ, GFP_KERNEL);
  165.     

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