Linux下的SPI总线驱动（一）
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一．SPI理论介绍
SPI总线全名，串行外围设备接口，是一种串行的主从接口，集成于很多微控制器内部。和I2C使用2根线相比，SPI总线使用4根线：MOSI (SPI 总线主机输出/ 从机输入)、 MISO (SPI总线主机输入/从机输出)、SCLK(时钟信号，由主设备产生)、CS（从设备使能信号，由主设备控制）。由于SPI总线有专用的数据线用于数据的发送和接收，因此可以工作于全双工，当前市面上可以找到的SPI外围设备包括RF芯片、智能卡接口、E2PROM、RTC、触摸屏传感器、ADC。
SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK 时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C 系统要稍微复杂一些。
二．SPI驱动移植
我们下面将的驱动的移植是针对Mini2440的SPI驱动的移植
Step1 ：在Linux Source Code中修改arch/arm/mach-s3c2440/mach-mini2440.c文件，加入头文件：
#include <linux/spi/spi.h>
#include <../mach-s3c2410/include/mach/spi.h>
然后加入如下代码：
static struct spi_board_info s3c2410_spi0_board[] =
{
[0] = {
.modalias = "spidev", //设备的名称用来和驱动进行匹配
.bus_num = 0, //总线的编号，实际指对应的SPI寄存器
.chip_select = 0, //反映了这个芯片是不是被连接到SPI上
.irq = IRQ_EINT9, //设备的中断号
.max_speed_hz = 500 * 1000, //SPI的最大速率
}
};
static struct s3c2410_spi_info s3c2410_spi0_platdata = {
.pin_cs = S3C2410_GPG(2),
.num_cs = 1, //所有的片选信号
.bus_num = 0, //SPI多对应的总线编号
.gpio_setup = s3c24xx_spi_gpiocfg_bus0_gpe11_12_13, //引脚设置函数
};
static struct spi_board_info s3c2410_spi1_board[] =
{
[0] = {
.modalias = "spidev",
.bus_num = 1,
.chip_select = 0,
.irq = IRQ_EINT2,
.max_speed_hz = 500 * 1000,
}
};
static struct s3c2410_spi_info s3c2410_spi1_platdata = {
.pin_cs = S3C2410_GPG(3),
.num_cs = 1,
.bus_num = 1,
.gpio_setup = s3c24xx_spi_gpiocfg_bus1_gpg5_6_7,
};
Step2:在mini2440_devices[]平台数组中添加如下代码：
&s3c_device_spi0,
&s3c_device_spi1,
Step3:最后在mini2440_machine_init函数中加入如下代码：
s3c_device_spi0.dev.platform_data= &s3c2410_spi0_platdata;
spi_register_board_info(s3c2410_spi0_board, ARRAY_SIZE(s3c2410_spi0_board));
s3c_device_spi1.dev.platform_data= &s3c2410_spi1_platdata;
spi_register_board_info(s3c2410_spi1_board, ARRAY_SIZE(s3c2410_spi1_board));
Step4:最后需要修改arch/arm/plat-s3c24xx/KConfig文件
找到
config S3C24XX_SPI_BUS0_GPE11_GPE12_GPE13
bool
help
SPI GPIO configuration code for BUS0 when connected to
GPE11, GPE12 and GPE13.
config S3C24XX_SPI_BUS1_GPG5_GPG6_GPG7
bool
help
SPI GPIO configuration code for BUS 1 when connected to
GPG5, GPG6 and GPG7.
修改为
config S3C24XX_SPI_BUS0_GPE11_GPE12_GPE13
bool "S3C24XX_SPI_BUS0_GPE11_GPE12_GPE13"
help
SPI GPIO configuration code for BUS0 when connected to
GPE11, GPE12 and GPE13.
config S3C24XX_SPI_BUS1_GPG5_GPG6_GPG7
bool "S3C24XX_SPI_BUS1_GPG5_GPG6_GPG7"
help
SPI GPIO configuration code for BUS 1 when connected to
GPG5, GPG6 and GPG7.
Step5:最后make menuconfig配置，选中System Type和SPI support相应文件
Step6：执行make生成zInage，将编译好的内核导入开发板，并且编译测试程序运行即可。
好了，我们的SPI驱动移植就做好了，我们可以编写SPI测试代码进行测试。
三．SPI设备和驱动的注册
在SPI子系统中，包含两类设备驱动。一类称之为.SPI主控设备驱动，用于驱动SPI主控设备，以和SPI总线交互，读写通信数据。另一类称之为SPI接口设备驱动，用于解析SPI主控设备驱动读取的数据，形成有意义的协议数据。下面我们就看看SPI主控设备的注册、SPI主控设备驱动的注册、SPI接口设备的添加、SPI接口设备的注册、SPI接口设备驱动的注册五个过程。
3.1SPI主控设备的注册
我们在移植的Step3:最后在mini2440_machine_init函数中加入如下代码：
s3c_device_spi0.dev.platform_data= &s3c2410_spi0_platdata;
spi_register_board_info(s3c2410_spi0_board, ARRAY_SIZE(s3c2410_spi0_board));
s3c_device_spi1.dev.platform_data= &s3c2410_spi1_platdata;
spi_register_board_info(s3c2410_spi1_board, ARRAY_SIZE(s3c2410_spi1_board));
这里面的s3c_device_spi0其实定义在\arch\arm\plat-s3c24xx\devs.c中，跟踪下
static struct resource s3c_spi0_resource[] = {
[0] = {
.start = S3C24XX_PA_SPI,
.end = S3C24XX_PA_SPI + 0x1f,
.flags = IORESOURCE_MEM,
},
[1] = {
.start = IRQ_SPI0,
.end = IRQ_SPI0,
.flags = IORESOURCE_IRQ,
}
};
static u64 s3c_device_spi0_dmamask = 0xffffffffUL;
struct platform_device s3c_device_spi0 = {
.name = "s3c2410-spi",
.id = 0,
.num_resources = ARRAY_SIZE(s3c_spi0_resource),
.resource = s3c_spi0_resource,
.dev = {
.dma_mask = &s3c_device_spi0_dmamask,
.coherent_dma_mask = 0xffffffffUL
}
};
EXPORT_SYMBOL(s3c_device_spi0);
这样就能理解移植时添加s3c_device_spi0.dev.platform_data= &s3c2410_spi0_platdata代码，其实是把s3c2410_spi0_platdata作为平台设备的私有数据。在s3c_device_spi0中就包含了设备的寄存器地址，设备名称，设备所产生的总线号，总线挂载的数目，及各种配置函数。然后由函数platform_add_devices(smdk2440_devices, ARRAY_SIZE(smdk2440_devices));统一把2440所有设备进行注册。
然后看下这个platform_add_devices注册函数主要干了什么事情。在linux/drivers/base /platform.c中105行定义了这个函数。函数调用platform_device_register（）来进行注册。然后在 platform_device_regisrer中调用device_initialize（pdev->dev）platform_device_add(pdev)这俩个函数，从函数名称上我们推断一个是初始化设备信息中的dev结构体，另一个是把这个设备增加到什么地方去。首先看初始化dev结构体。初看下初始化了kobj相关东西，初始化链表，同步锁，还有相关标志。然后看platform_device_add里面内容。把其中一个pdev->dev.bus=& platform_bus_type (全局变量)至此我们基本可以确定了，这个设备属于platform_bus_type。所以这个设备的总线信息就知道了，但是总线还不知道这个设备，不过放心，在接下来的初始化过程中有一个函数bus_add_device，会让总线知道这个函数。这样至此我们就把一个设备注册完毕，初始化了一些我们能初始化的东西。结果之一是设备在总线上可以找到。
3.2 SPI接口设备的添加
在移植的Step1中，曾经添加了如下代码
static struct spi_board_info s3c2410_spi0_board[] =
{
[0] = {
.modalias = "spidev", //设备的名称用来和驱动进行匹配
.bus_num = 0, //总线的编号，实际指对应的SPI寄存器
.chip_select = 0, //反映了这个芯片是不是被连接到SPI上
.irq = IRQ_EINT9, //设备的中断号
.max_speed_hz = 500 * 1000, //SPI的最大速率
}
};
上面结构体来填充SPI接口的设备信息，然后通过函数spi_register_board_info(s3c2410_spi0_board,ARRAY_SIZE(s3c2410_spi0_board));注册。下面来跟踪下这个函数干了些什么事情。
int __init spi_register_board_info(struct spi_board_info const *info, unsigned n)
{
struct boardinfo *bi;
bi = kmalloc(sizeof(*bi) + n * sizeof *info, GFP_KERNEL);
if (!bi)
return -ENOMEM;
bi->n_board_info = n;
//把s3c2410_spi0_board 的信息都拷贝到结构体
memcpy(bi->board_info, info, n * sizeof *info);
mutex_lock(&board_lock);
list_add_tail(&bi->list, &board_list);
mutex_unlock(&board_lock);
return 0;
}
在这个函数里面，是把s3c2410_spi0_board的信息都拷贝到结构体
struct boardinfo {
struct list_head list;
unsigned n_board_info;
struct spi_board_info board_info[0];
};这里使用编程技巧定义个元素为0的数组，目的是接收s3c2410_spi0_borad里面的不确定元素，因为事先不知道元素的多少。然后在系统编译的时候会把board_info的内存默认为0，所以赋值的时候还要自动申请内存。memcpy(bi->board_info, info, n * sizeof *info);然后定义了同步锁，创建了链表。list_add_tail(&bi->list, &board_list);这部分好像就到这个地方了，系统把信息保存到一块内存中，我们可以通过全局变量board_list找到这块地方。
3.3 SPI主控设备驱动的注册
在spi_s3c24xx.c文件中
static int __init s3c24xx_spi_init(void)
{
return platform_driver_probe(&s3c24xx_spi_driver, s3c24xx_spi_probe);
}
在platform_driver_probe中会调用platform_driver_register(drv);继续跟踪
int platform_driver_register(struct platform_driver *drv)
{
drv->driver.bus = &platform_bus_type; //总线类型
if (drv->probe)
drv->driver.probe = platform_drv_probe;
if (drv->remove)
drv->driver.remove = platform_drv_remove;
if (drv->shutdown)
drv->driver.shutdown = platform_drv_shutdown;
return driver_register(&drv->driver);
}
看到没？这个和SPI主控设备的注册过程中的最终挂接的总线类型是一致的。这样SPI主控设备和SPI主控驱动都要注册到同一个总线上，总线再根据名称一样来进行匹配。
3.4 SPI接口设备的注册
我们继续看在spi_s3c24xx.c文件
在s3c24xx_spi_probe里面我们调用spi_bitbang_start(&hw->bitbang);这就是SPI接口驱动的注册。跟踪spi_bitbang_start函数，我们看到它调用了spi_register_master(bitbang->master);在函数spi_register_master()里面有一函数调用scan_boardinfo(master);用来扫描设备。
static void scan_boardinfo(struct spi_master *master)
{
struct boardinfo *bi;
mutex_lock(&board_lock);
list_for_each_entry(bi, &board_list, list) { //通过board_list遍历链表，取得设备信息
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;
(void) spi_new_device(master, chip);
}
}
mutex_unlock(&board_lock);
}
我们跟踪scan_boardinfo中的spi_new_device函数发现，spi_new_device调用spi_alloc_device，而在spi_alloc_device函数中有一句spi->dev.bus = &spi_bus_type;这说明该设备就挂在全局变量spi_bus_type总线上了。然后在spi_new_device中调用spi_add_device函数，目的我们已经看到，最终SPI接口的设备注册到了spi_bus_type上了，如果把SPI接口设备的驱动也注册到这个总线上，然后根据名称进行匹配则device和driver就配对成功。
3.5 SPI接口设备驱动的注册
我们以spidev.c的驱动为例，来追踪该驱动的注册
static int __init spidev_init(void)
{
int status;
BUILD_BUG_ON(N_SPI_MINORS > 256);
status = register_chrdev(SPIDEV_MAJOR, "spi", &spidev_fops); //注册字符设备
if (status < 0)
return status;
spidev_class = class_create(THIS_MODULE, "spidev");
if (IS_ERR(spidev_class)) {
unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi.driver.name);
return PTR_ERR(spidev_class);
}
status = spi_register_driver(&spidev_spi); //注册SPI接口设备驱动
if (status < 0) {
class_destroy(spidev_class);
unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi.driver.name);
}
return status;
}
我们跟踪下spi_register_driver
int spi_register_driver(struct spi_driver *sdrv)
{
sdrv->driver.bus = &spi_bus_type;
if (sdrv->probe)
sdrv->driver.probe = spi_drv_probe;
if (sdrv->remove)
sdrv->driver.remove = spi_drv_remove;
if (sdrv->shutdown)
sdrv->driver.shutdown = spi_drv_shutdown;
return driver_register(&sdrv->driver);
}
好了，我们在spi_register_driver里看到了sdrv->driver.bus = &spi_bus_type;这说明我们的SPI设备驱动也接到了SPI总线上了，这个正好跟我们上面说的SPI接口设备的注册中提到的SPI设备也注册到SPI总线的，这样就可以通过驱动名匹配上了。