【嵌入式Linux内核驱动】SPI子系统 | 硬件原理 | 应用编程 | 内核驱动 | 总体框架

1. 硬件原理

1.1 SPI通信协议

  • SPI(Serial Peripheral Interface)是由Motorola公司开发的一种通用数据总线

  • 四根通信线:SCK(Serial Clock)、MOSI(Master Output Slave Input)、MISO(Master Input Slave Output)、SS(Slave Select)

  • 同步,全双工

  • 支持总线挂载多设备(一主多从)

1.2 硬件连接

  • 多NSS独立片选方式
  • 菊花链方式

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引脚 含义
DO(MOSI) Master Output, Slave Input,
SPI主控用来发出数据,SPI从设备用来接收数据,输出引脚设置为推挽输出
DI(MISO) Master Input, Slave Output,
SPI主控用来发出数据,SPI从设备用来接收数据,输入引脚设置为浮空或上拉输入,从机不输出时为高阻态。
SCK Serial Clock,时钟
CS Chip Select,芯片选择引脚,NSS 信号线由高变低,是 SPI 通讯的起始信号。NSS 信号由低变高,是 SPI 通讯的停止信号,表示本次通讯结束,从机的选中状态被取消。

移位寄存器示意图

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1.3 时序

  • 起始:CS从高到低
  • 终止:CS从低到高

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SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA可以分别为0或1,由此构成了四种组合:

CPOL CPHA 模式 含义
0 0 0 CLK初始电平为低电平,在第一个时钟沿采样数据
0 1 1 CLK初始电平为低电平,在第二个时钟沿采样数据
1 0 2 CLK初始电平为高电平,在第一个时钟沿采样数据
1 1 3 CLK初始电平为高电平,在第二个时钟沿采样数据

常用的是模式0和模式3,因为它们都是在上升沿采样数据,不用去在乎时钟的初始电平是什么,只要在上升沿采集数据就行。

IIC有效字节流数据第一个字节是寄存器地址,之后是读写的数据,使用的是读写寄存器模型

SPI用指令码加读写数据模型,发送指令字节的方式来读取,从机中有指令集对应,

发送指令。

指定地址读。

指定地址写。

1.4 代码

IO模拟

void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend) //交换字节,发送的话就不需要读取返回值,接收的话就发送0XFF接收返回的数据。
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)  //模式0,其他模式对着时序图换一下MySPI_W_SCK就行
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);  
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

1.5 SPI FLASH W25Qxx

1.5.1 硬件原理

  • W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器,常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景

  • 存储介质:Nor Flash(闪存)

  • 时钟频率:80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

  • 存储容量(24位地址):

W25Q40: 4Mbit / 512KByte

W25Q80: 8Mbit / 1MByte

W25Q16: 16Mbit / 2MByte

W25Q32: 32Mbit / 4MByte

W25Q64: 64Mbit / 8MByte

W25Q128: 128Mbit / 16MByte

W25Q256: 256Mbit / 32MByte

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spi flash hold

spi flash hold
该引脚接收到低电平时,且 /CS=0,数据引脚为高阻态,芯片可以屏蔽总线的数据和时钟信号,当引脚为高电平时,可以继续恢复对芯片的操作,适用于多设备SPI控制,分时使用。这个引脚的意义是引进了3种设备情况:设备不被选中,被选中但不工作,被选中且工作;没有这个引脚功能时,芯片只有两种情况:不被选中,选中且工作。

该引脚通过控制寄存器可以有复用功能,作为数据引脚。

SPI Flash有三种工作模式

SPI Flash有三种工作模式:Standard SPI,Dual SPI,Quad SPI。这三种模式的区别在于数据引脚的数量和功能不一样。

Standard SPI
标准SPI,也就是我们常说的四线:片选 (/CS),时钟 (CLK),输入数据 (DI),输出数据 (DO)。另外配有写保护 (/WP) 和维持 (/HOLD) 功能。

Dual SPI
这种工作模式就是对标准SPI进行了改进,将DO,DI改成IO1和IO2,变成了双向IO口,这样一个时钟周期可以读写2位数据。写保护(/WP)和维持(/HOLD)功能仍然保留。

Quad SPI
这种工作模式是对Dual SPI模式进行改进,就是上面讲的,将写保护 (/WP) 和维持 (/HOLD) 引脚复用为IO口,标记为IO3,IO4,这样总共就是四个IO口,数据传送速度更快。

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  • 空间划分:块64KB,扇区4KB,页256B
  • SPI控制逻辑
  • 状态寄存器
  • 页缓存,会对一次性写入的数据缓存

1.5.2 Flash操作注意事项

写入操作时:

  • 写入操作前,必须先进行写使能

  • 每个数据位只能由1改写为0,不能由0改写为1(不能覆盖改写,要先擦除,发送擦除指令)

  • 写入数据前必须先擦除,擦除后,所有数据位变为1

  • 擦除必须按最小擦除单元进行

  • 连续写入多字节时,最多写入一页的数据,超过页尾位置的数据,会回到页首覆盖写入

  • 写入操作结束后,芯片进入忙状态,不响应新的读写操作

读取操作时:

  • 直接调用读取时序,无需使能,无需额外操作,没有页的限制,读取操作结束后不会进入忙状态,但不能在忙状态时读取

BUSY

  • 擦除和写入会变为忙状态,每次操作都要先读是不是忙状态再操作。

WEL

  • 任何写入都要先写使能

1.5.3 代码

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); //发送读ID指令
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取8位厂商ID
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取高8位设备ID
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//交换读取低8位设备ID
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); 
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); //读状态寄存器
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) //查看是否忙状态
	{
		Timeout --; 
		if (Timeout == 0) //超时判断
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

//页编程:页的某个地址写一堆数据
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count) 
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable(); 
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16); //先发地址最高位
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)  //循环发送数据
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy(); //事后等待,保证出了这个函数是不忙的,会浪费资源。
                       //也可以放在最前面,事前等待
}

//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}

//读数据
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}
	MySPI_Stop();
}

1.6 常见面试问题

SPI总线的工作频率

SPI是一种事实标准,由Motorola开发,并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

SPI最大传输速率受以下几个条件影响:

1)SPI的最大时钟频率;

2)CPU处理SPI数据的能力;

3)输出端驱动能力(PCB所允许的最大信号传输速率);

W25Qxx系列时钟频率:80MHz/160MHz(Dual SPI)/320MHz(Quad SPI)

SPI优缺点

SPI的优点

  • 全双工串行通信;
  • 高速数据传输速率。
  • 简单的软件配置;
  • 极其灵活的数据传输,不限于8位,它可以是任意大小的字;
  • 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址(与I2C不同)。从机使用主机时钟,不需要精密时钟振荡器/晶振(与UART不同)。不需要收发器(与CAN不同)。

SPI的缺点

  • 没有硬件从机应答信号(主机可能在不知情的情况下无处发送);
  • 通常仅支持一个主设备;
  • 需要更多的引脚(与I2C不同);
  • 没有定义硬件级别的错误检查协议;
  • 与RS-232和CAN总线相比,只能支持非常短的距离;

2. 应用编程–spidev应用程序分析

内核提供的测试程序:tools\spi\spidev_fdx.c

2.1 使用方法

spidev_fdx [-h] [-m N] [-r N] /dev/spidevB.D
  • -h: 打印用法
  • -m N:先写1个字节0xaa,再读N个字节,**注意:**不是同时写同时读
  • -r N:读N个字节

2.2 代码分析

2.2.1 显示设备属性

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2.2.2 读数据

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2.2.3 先写再读

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2.2.4 同时读写

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2.3 spidev的缺点

使用read、write函数时,只能读、写,这是半双工方式。

使用ioctl可以达到全双工的读写。

但是spidev有2个缺点:

  • 不支持中断
  • 只支持同步操作,不支持异步操作:就是read/write/ioctl这些函数只能执行完毕才可返回

3.内核驱动

总线-设备-驱动模型

SPI子系统中:SPI控制器、SPI设备-驱动。

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image-20230409215537806【嵌入式Linux内核驱动】SPI子系统 | 硬件原理 | 应用编程 | 内核驱动 | 总体框架_第14张图片

在设备树里,会有一个节点用来表示SPI控制器。

在这个SPI控制器下面,连接有哪些SPI设备?会在设备树里使用子节点来描述SPI设备。

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官方的通用dev驱动spidev驱动程序

自己编写设备spi驱动程序,如DAC4822,TLC5615,OLED SD1306

SPI_Master驱动程序框架

SPI_Slave_Mode驱动程序框架

4. 总体框架

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