基于CH347实现USB扩展SPI/I2C/GPIO Master主机应用方案

在安卓/Linux主机上经常会遇到CPU原生SPI/I2C/GPIO Master资源通道不够或者功性能不满足实际产品需求的情况，基于USB2.0高速USB转接芯片CH347，配合厂商提供的USB转MPHSI（Multi Protocol High-Speed Serial Interface）Master总线驱动（CH34X-MPHSI-Master）可轻松实现为系统扩展SPI和I2C总线、GPIO Expander、中断信号等。

该驱动软件正常工作后，会在系统下创建新的SPI和I2C Master，拥有独立的bus num，原SPI和I2C器件的设备驱动可直接挂载到该总线上，无需任何修改。驱动会同时创建GPIO相关资源，各GPIO可通过sysfs文件系统或应用层软件直接访问，也可以由其他设备驱动申请该GPIO的访问权以及申请GPIO对应中断号并注册中断服务程序。

项目地址：GitHub - WCHSoftGroup/ch34x_mphsi_master_linux

应用框图：

 CH347是一款高速USB总线转接芯片，通过USB总线提供异步串口、I2C同步串行接口、SPI同步串行接口和JTAG接口等。本方案仅使用到CH347的高速SPI、I2C串行总线，以及GPIO功能，使用串口功能需要单独使用CH343SER串口驱动，使用JTAG功能或SPI和I2C的非总线模式应用可使用CH341PAR多功能USB设备驱动。

CH34X-MSPI-Master总线驱动特点：

1、支持CH347与CH341总线转接芯片；

2、支持SPI、I2C、GPIO、IRQ等接口和功能扩展；

3、支持SPI、I2C的bus总线号、GPIO编号、IRQ中断号的动态分配以及静态指定；

4、支持自动绑定spi通用设备驱动，创建/dev/spidev*；

驱动概述

该Master驱动支持在Linux/安卓主机上，使用USB转串口/JTAG/SPI/I2C/GPIO转换芯片CH347，和USB转串口/SPI/I2C/GPIO转换芯片CH341。

驱动仅支持SPI/I2C/GPIO接口，该文档主要介绍CH347芯片的相关特性。

CH347F SPI接口

PIN脚	SPI功能脚	GPIO复用脚
13	SCS0	-
7	SCS1	-
14	SCK	-
16	MOSI	-
15	MISO	-

CH347T SPI接口

PIN脚	SPI功能脚	GPIO复用脚
5	SCS0	gpio2
9	SCS1	gpio5
6	SCK	gpio0
8	MOSI	-
7	MISO	gpio1

SPI接口特性：

• SPI模式0/1/2/3

• SPI时钟频率60MHz~218.75KHz

• MSB/LSB传输

• 8位/16位传输

• 2路片选

• 片选高/低有效

CH347F I2C接口

PIN脚	I2C功能脚	GPIO复用脚
11	SCL	-
12	SDA	-

CH347T I2C接口

PIN脚	I2C功能脚	GPIO复用脚
11	SCL	gpio3
12	SDA	-

CH347F/T支持至少4种I2C时钟：20kHz，100kHz，400kHz和750kHz。驱动配置的默认I2C时钟为100KHz，当前不支持动态修改该时钟频率，若需要修改可以在ch34x_mphsi_i2c_init函数中修改。

在Linux上增加对器件的驱动支持十分方便，只需要将该器件的设备驱动绑定到此Master驱动生成的总线下即可。举例：

modprobe bmi160_i2c
echo "bmi160 0x68" > /sys/bus/i2c/devices/i2c-$DEV/new_device

或

modprobe tcs3472
echo "tcs3472 0x29" > /sys/bus/i2c/devices/i2c-$DEV/new_device

驱动创建的I2C设备文件在/sys/bus/i2c/devices/i2c-$DEV/ 目录下

CH347F GPIO接口

PIN脚	GPIO复用脚
17	gpio0
18	gpio1
10	gpio2
9	gpio3
23	gpio4
24	gpio5
25	gpio6
26	gpio7

CH347T GPIO接口

PIN脚	GPIO复用脚
15	gpio4
2	gpio6
13	gpio7

CH347的硬件接口支持GPIO0~GPIO7，考虑到部分引脚被SPI和I2C的接口占用了，此驱动仅开放支持了GPIO4，GPIO6和GPIO7。

驱动操作说明

• 使用“make”或者其他方式编译此驱动，如果动态编译成功会生成“ch34x_mphsi_master.ko”驱动模块

• 使用“sudo make load”或“sudo insmod ch34x_mphsi_master.ko”动态加载驱动，使用此方式加载SPI总线号和GPIO起始序号会自动分配，也可以通过增加参数进行指定。

• 如：“sudo insmod ch34x_mphsi_master.ko spi_bus_num=3 gpio_base_num=60”

• 使用“sudo make unload”或“sudo rmmod ch34x_mphsi_master.ko”卸载驱动

• 使用“sudo make install”将驱动开机自动工作

• 使用“sudo make uninstall”卸载该驱动

使用此驱动，需要确认CH347/CH341已经插入主机并且工作正常，可以使用“lsusb”或“dmesg”指令来确定，CH347/CH341的厂商VID是0x1A86。

如果芯片工作正常，可以使用“ls /sys/class/master”，“ls /sys/class/gpio”指令确认设备节点路径。

用户空间访问

使用SPI接口

一旦驱动加载成功，默认会提供2个关联到这个新的SPI Bus的SPI Slave设备，以CH347为例：

/dev/spidev0.0
/dev/spidev0.1

根据设备名称规则 /dev/spidev<bus>.<cs>，<bus>是驱动自动选择的总线号，<cs> 是芯片指定引脚的片选信号。

自linux内核5.15开始绑定到spidev驱动需要主动bind使/dev目录下设备可用，如bus 0下slave 1：

# echo spidev > /sys/class/spi_master/spi0/spi0.1/driver_override
# echo spi0.1 > /sys/bus/spi/drivers/spidev/bind

对所有ch34x_mphsi_master驱动管理的设备：

# for i in /sys/bus/usb/drivers/mphsi-ch34x/*/spi_master/spi*/spi*.*; do echo spidev > $i/driver_override; echo $(basename $i) > /sys/bus/spi/drivers/spidev/bind; done

标准I/O函数如 open, ioctl 和close 可以直接和该spi slave进行通讯，打开SPI设备：

int spi = open("/dev/spidev0.0", O_RDWR));

设备打开成功后，可以使用 ioctl函数修改SPI配置和传输数据等。

uint8_t mode = SPI_MODE_0;
uint8_t lsb = SPI_LSB_FIRST;
...
ioctl(spi, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);
ioctl(spi, SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &lsb);

函数 ioctl传输数据示例：

uint8_t *mosi; // output data
uint8_t *miso; // input data
...
// fill mosi with output data
...
struct spi_ioc_transfer spi_trans;
memset(&spi_trans, 0, sizeof(spi_trans));
​
spi_trans.tx_buf = (unsigned long) mosi;
spi_trans.rx_buf = (unsigned long) miso;
spi_trans.len = len;
​
int status = ioctl (spi, SPI_IOC_MESSAGE(1), &spi_trans);
​
// use input data in miso

挂载SPI NOR FLASH作为MTD存储设备

举例：flash器件挂载到bus 0 chip 0（spi0.0）

# echo spi0.0 > /sys/bus/spi/drivers/spidev/unbind
# echo spi-nor > /sys/bus/spi/devices/spi0.0/driver_override
# echo spi0.0 > /sys/bus/spi/drivers/spi-nor/bind

注：为方便用户使用，该驱动默认会创建spidev设备，用户可以使用上面的命令主动解绑与spidev的绑定，或者undefine在ch34x_mphsi_master_spi.c文件中的“SPIDEV”宏定义。

使用GPIO接口

用户空间访问GPIO，可以使用sysfs，对驱动支持的GPIO，可在如下系统目录下查看。

/sys/class/gpio/<gpio>/

is created by the system, where <gpio> is the name of the GPIO as defined in the driver variable ch347_board_config. These directories contain

<gpio>是定义在驱动变量 ch347_board_config中的GPIO名称 ，目录包含

• value 文件用于配置或读取GPIO电平

• edge文件用于配置GPIO中断使能以及中断类型

• direction文件用于改变支持双向GPIO的引脚方向

注：对文件的读写操作，用户需要指定的读写权限。

当前支持的中断类型包括：

• rising 上升沿中断

• falling 下降沿中断

• both 双边沿中断

打开GPIO

使用GPIO前，需要先打开value文件

int  fd;
​
if ((fd = open("/sys/class/gpio/<gpio>/value", O_RDWR)) == -1) 
{
    perror("open");
    return -1;
}

<gpio>是GPIO的名称

设置GPIO方向

配置GPIO方向为input或output，可在root权限下简单地写入in或out字符串到direction文件。

echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction

设置GPIO输出

文件value打开后，可使用标准I/O函数进行读写，配置GPIO输出电平，可简单使用write函数，写入后GPIO会立刻输出指定电平。

if (write(fd, value ? "1" : "0", 1) == -1) 
{
    perror ("write");
    return -1;
}

读取GPIO电平

读取GPIO电平，可简单使用read函数：

char buf;
​
if (read(fd, &buf, 1) == -1) 
{
    perror("read");
    return -1;
}
​
value = (buf == '0') ? 0 : 1;

每一次读操作后，需要将文件位置指针需要重新定位到首字节。

if (lseek(fd, 0, SEEK_SET) == -1) {
    perror("lseek");
    return -1;
}

使用GPIO中断

完整的使用GPIO中断功能的驱动例程：

#include <linux/bitops.h>
#include <linux/clk.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_device.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/interrupt.h>
​
#define GPIO_NUMBER 509 /* modify with actual gpio number */
​
static irqreturn_t gpio_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    printk("gpio_interrupt callback.\n");
​
    return IRQ_HANDLED;
}
​
static int __init ch34x_gpio_init(void)
{
    unsigned long flags = IRQF_TRIGGER_FALLING;
    int ret;
    int irq;
​
    irq = gpio_to_irq(GPIO_NUMBER);
    printk("irq: %d\n", irq);
    ret = gpio_request(GPIO_NUMBER, "gpioint");
    if (ret) {
        printk("gpio_request failed.\n");
        goto exit;
    }
    ret = gpio_direction_input(GPIO_NUMBER);
    if (ret) {
        printk("gpio_direction_input failed.\n");
        gpio_free(GPIO_NUMBER);
        goto exit;
    }
    irq_set_irq_type(irq, flags);
    ret = request_irq(irq, gpio_interrupt, 0, "gpio_handler", NULL);
    printk("%s - request_irq = %d result = %d\n", __func__, irq, ret);
​
exit:
    return ret;
}
​
static void __exit ch34x_gpio_exit(void)
{
    int irq;
​
    irq = gpio_to_irq(GPIO_NUMBER);
    free_irq(irq, NULL);
    gpio_free(GPIO_NUMBER);
    printk("gpio driver exit.\n");
}
​
module_init(ch34x_gpio_init);
module_exit(ch34x_gpio_exit);
​
MODULE_LICENSE("GPL");
​

注：该驱动默认会创建gpio设备，若需要在内核中使用中断功能，需要undefine在ch34x_mphsi_master_gpio.c中定义的“SYSFS_GPIO”宏。

注

CH341支持3种工作模式

模式0: [串口]

模式1: [SPI+ I2C + GPIO]

模式2: [打印口]

CH347F 支持1种模式

模式0: [串口* 2 + SPI + I2C + JTAG + SWD] VCP/CDC/HID 驱动模式

CH347T 支持4种模式

模式0: [串口* 2] VCP/CDC 驱动模式

模式1: [SPI + I2C + 串口* 1] VCP 驱动模式

模式2: [SPI + I2C + 串口* 1] HID 驱动模式

模式3: [JTAG + 串口* 1] VCP 驱动模式

该驱动支持CH347F, CH341 模式1 或 CH347 模式1

有技术问题，可以发邮件至技术邮箱: tech@wch.cn