Linux SPI设备分析1

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Linux SPI设备分析1（基于Linux6.6）---SPI设备框架介绍

一、概述

1.1、SPI 驱动框架概述

SPI 驱动的主要任务是管理 SPI 总线与 SPI 设备之间的通信。SPI 设备通常通过 SPI 总线连接到主设备，而 SPI 驱动则负责处理数据传输、配置和设备管理。Linux 中的 SPI 驱动分为两部分：

SPI 总线驱动（SPI bus driver）：负责管理 SPI 总线的硬件操作。
SPI 设备驱动（SPI device driver）：与特定 SPI 设备进行交互，执行数据的读写等操作。

1.2、SPI 设备驱动框架的组成部分

一个完整的 SPI 设备驱动通常由以下几个部分组成：

1.SPI 设备的描述结构（spi_device）

在 Linux 内核中，SPI 设备通过 spi_device 结构表示。该结构包含了与特定 SPI 设备相关的所有信息，如设备名称、SPI 总线、设备 ID、片选等。

struct spi_device {
    struct device dev;             // 设备的基础结构体
    struct spi_controller *controller; // 关联的 SPI 控制器
    unsigned int max_speed_hz;     // 最大传输速度
    unsigned int chip_select;      // 片选编号
    unsigned int mode;             // SPI 模式
    u16 irq;                       // 中断号
    const char *modalias;          // 设备别名
    // 其他 SPI 设备相关参数
};

2.SPI 控制器（spi_controller）

spi_controller 结构代表了 SPI 总线控制器。SPI 控制器驱动负责管理总线的具体硬件操作，如配置时钟、传输数据等。

struct spi_controller {
    struct device dev;
    int (*setup)(struct spi_device *spi); // 设置 SPI 设备
    int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *xfer); // SPI 传输接口
    // 其他 SPI 总线控制器相关信息
};

3.SPI 传输（spi_transfer）

spi_transfer 结构用于表示一个 SPI 传输操作，描述了数据缓冲区、传输长度、传输方式等信息。

struct spi_transfer {
    unsigned long tx_buf;         // 发送数据缓冲区
    unsigned long rx_buf;         // 接收数据缓冲区
    unsigned len;                 // 传输数据长度
    unsigned speed_hz;            // 传输速度
    unsigned cs_change;           // 是否改变片选
    unsigned delay_usecs;         // 延时
    // 其他传输相关参数
};

4.SPI 设备驱动（spi_driver）

spi_driver 结构用于注册和管理 SPI 设备驱动。它定义了如何绑定 SPI 设备、初始化设备、处理传输请求等。

struct spi_driver {
    struct device_driver driver;
    int (*probe)(struct spi_device *spi);    // 设备探测函数
    int (*remove)(struct spi_device *spi);   // 设备移除函数
    int (*suspend)(struct spi_device *spi);  // 设备挂起函数
    int (*resume)(struct spi_device *spi);   // 设备恢复函数
    const struct spi_device_id *id_table;    // 设备 ID 表
};

1.3、SPI 驱动的核心操作流程

SPI 驱动的操作流程大致分为以下几个步骤：

1.设备探测（Probe）

当 SPI 总线上的设备插入时，SPI 驱动会通过设备的 probe 函数来初始化设备。probe 函数负责设置设备的基本参数，如最大速度、SPI 模式、传输缓冲区等。

static int spi_example_probe(struct spi_device *spi)
{
    pr_info("Probing SPI device\n");
    // 初始化设备，设置 SPI 设备的参数
    return 0;
}

2.设备移除（Remove）

当设备从 SPI 总线上移除时，SPI 驱动会调用 remove 函数来清理资源并释放设备。

static int spi_example_remove(struct spi_device *spi)
{
    pr_info("Removing SPI device\n");
    // 清理设备资源
    return 0;
}

3.设备传输（Transfer）

SPI 设备驱动通过 spi_transfer 来发送或接收数据。spi_transfer 结构体描述了数据传输的相关信息，传输通常通过 spi_sync 或 spi_async 来执行。

spi_sync：同步传输，即调用后会等待传输完成。
spi_async：异步传输，即启动传输后不会等待，传输完成后通过回调函数通知。

static int spi_example_transfer(struct spi_device *spi)
{
    struct spi_transfer transfer = {
        .tx_buf = tx_data,
        .rx_buf = rx_data,
        .len = sizeof(tx_data),
        .speed_hz = 1000000,
    };

    // 执行同步传输
    return spi_sync(spi, &transfer);
}

4.SPI 驱动注册（Registration）

在 init 函数中，SPI 驱动通过 spi_register_driver 函数将驱动注册到内核。这样内核会根据 SPI 设备的 ID 自动匹配合适的驱动。

static struct spi_driver example_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "example_spi_driver",
    },
    .probe = spi_example_probe,
    .remove = spi_example_remove,
    .id_table = example_spi_id_table,
};

module_spi_driver(example_spi_driver);

1.4、SPI 驱动开发中的注意事项

SPI 模式：SPI 有 4 种模式，具体取决于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。需要确保驱动中正确配置 SPI 模式，以确保与设备正确通信。
传输时序：SPI 协议是同步的，时序要求严格。确保在传输时保持时钟和数据的同步。
性能优化：SPI 总线的速度较高时，可能会出现数据传输的瓶颈。可以通过增加 DMA 支持来提高传输效率。
多设备支持：SPI 总线上可能有多个设备，通过不同的片选线来区分。在设备驱动中要正确配置片选线和传输时序。

1.5、cpu-spi控制器-spi设备关联说明

spi驱动模型是如何抽象：

针对spi控制器与spi控制器驱动抽象出spi master类型，其中spi_master可以理解为spi控制器设备，同时该类中包含了spi通信实现产生接口spi_transfer（此处没有为spi 控制器抽象一个驱动类，而是将spi控制器产生通信时序的驱动，抽象为spi_transfer方法）；
针对spi设备抽象了spi_dev、spi_driver类；
针对spi总线，实例化一个bus_type类型的对象。

spi总线与i2c类型，它们的控制器抽象类都提供了总线通信的方法（在i2c_adapter中抽象了algo方法，而在spi_master抽象了transfer接口）。

二、spi_master、spi dev、spi bus、spi driver的关联

2.1、基于设备-总线-驱动模型的关联

spi模型、i2c模型均是基于LINUX设备-总线-驱动模型的，主要描述下spi_driver、spi_device、spi_master、spi_bus这四个类型中device类型、device_driver类型的成员变量之间的关联。

如下图所示:

在spi总线上只有spi device、spi driver是注册到spi总线上的，而spi master是没有注册到spi总线上的，这点是与i2c驱动模型的区别（在i2c驱动模型中spi master也是注册到i2c总线上的，只是不进行与i2c driver的绑定）；
Spi device与spi driver借助设备-总线-驱动模型的数据结构与接口，完成绑定与解绑操作；
Spi device与spi master之间借助设备模型的数据结构，完成父子节点的关联（如下图中橙色箭头所指）
Spi device与spi master之间借助spi的数据结构，完成了device与master绑定（如下图中绿色箭头所指）

2.2、spi通用字符设备创建相关

通过spi master提供的方法与具体的cs引脚设置，即可完成针对某一个spi dev的通信。因此spi 驱动模块也开发了通用字符设备，但与i2c不同的是，创建的spi通用字符设备需要同时包含spi master与spi device这两个变量。

在i2c模型中，也存在i2c adapter设备对应的字符设备，在i2c设备驱动模型中，主要是在i2cadper 注册到i2c总线时，通过触发BUS_NOTIFY_ADD_DEVICE、BUS_NOTIFY_DEL_DEVICE通知，在这两个通知注册的处理接口中，借助device_add接口完成字符设备的添加；

而在spi驱动模型中，因没有将spi master注册到spi总线上，因此无法使用i2c模块那一套方式创建字符设备，且spi字符设备必须与spi device进行绑定（主要是获取对应的cs引脚），这是与i2c通用字符设备不同的地方。而且spi模块注册了名为“spidev”spi driver，该spi driver就是为了创建spi 通用字符设备而存在的。