Linux SPI设备分析2

原创于 2024-12-21 14:40:36 发布 · 1.1k 阅读

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Linux SPI设备分析2（基于Linux6.6）---SPI总线介绍

一、SPI 总线模块概述

SPI（Serial Peripheral Interface）总线是一种常见的同步串行通信协议，广泛用于微控制器与外设之间的高速数据传输。与其他串行通信协议（如 I2C）相比，SPI 通常具有更高的传输速率，并且支持全双工通信。SPI 总线是由一组信号线和一个主控制器（Master）与多个从设备（Slave）组成的。

在 Linux 内核中，SPI 总线模块（SPI bus driver）负责与 SPI 总线的硬件进行交互，管理数据的发送和接收，并提供接口供上层设备驱动使用。SPI 总线模块通常与 SPI 控制器硬件紧密结合，提供底层的通信支持。

1.1、SPI 总线的工作原理

SPI 是一种主从式（Master-Slave）通信协议，通信的基本流程如下：

MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备。
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备。
SCK（Serial Clock）：由主设备产生的时钟信号，用于同步数据传输。
CS（Chip Select）：也称为片选信号。主设备通过此信号选择与哪一个从设备进行通信，通常每个从设备有独立的 CS 信号。

数据传输时，主设备生成时钟信号，通过 MOSI 线将数据发送到从设备。从设备则通过 MISO 线将数据返回给主设备。整个数据传输过程是同步进行的，即数据的发送与接收都需要依赖时钟信号的同步。

1.2、SPI 总线模块的基本组成

在 Linux 内核中，SPI 总线模块主要由以下几个部分组成：

1.SPI 控制器（spi_controller）

SPI 控制器是实现 SPI 总线通信的硬件模块，它管理 SPI 总线的时序、数据传输和总线上的设备操作。每个 SPI 控制器驱动需要提供一组操作接口来与设备交互，包括数据的传输、设置时钟频率等。

spi_controller 结构体通常包含以下几个重要字段：

setup: 配置 SPI 总线的传输参数，例如设置 SPI 模式、时钟频率等。
transfer: 执行 SPI 数据传输操作。
transfer_one: 执行单次 SPI 传输操作。

示例代码：

struct spi_controller {
    struct device dev;
    int (*setup)(struct spi_device *spi);        // 配置 SPI 设置
    int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *xfer); // 执行数据传输
    // 其他 SPI 总线控制器相关字段
};

2.SPI 设备（spi_device）

SPI 设备是连接到 SPI 总线上的硬件外设。spi_device 结构体包含了有关 SPI 设备的所有信息，例如设备的最大传输速度、片选号、SPI 模式等。每个 SPI 设备需要注册到 SPI 总线中，以便进行数据交换。

示例代码：

struct spi_device {
    struct device dev;
    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
    // 其他 SPI 设备相关字段
};

3.SPI 总线（spi_bus）

SPI 总线由一个或多个 SPI 设备共享，通过不同的片选线（CS）来区分。Linux 中的 SPI 总线是通过 spi_bus 对象来表示的。这个对象包含了多个 SPI 设备以及它们的配置和传输操作。

4.SPI 传输（spi_transfer）

spi_transfer 结构表示一次 SPI 数据传输的详细信息。它描述了数据的来源（TX）和去向（RX）、传输的长度、时钟频率、延迟等参数。

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;          // 传输数据的长度
    unsigned speed_hz;     // 传输时的时钟频率
    unsigned cs_change;    // 是否改变片选信号
    unsigned delay_usecs;  // 数据传输的延迟
};

1.3、SPI 总线的操作流程

SPI 总线的工作流程主要分为以下几个步骤：

1.初始化 SPI 总线

SPI 总线通常由一个 SPI 控制器驱动进行初始化。初始化时，SPI 控制器驱动会为 SPI 总线分配资源，设置 SPI 控制器的相关参数（如时钟频率、模式等），并注册到内核中。

static int spi_bus_init(struct spi_controller *controller)
{
    // 初始化 SPI 总线控制器的硬件设置
    controller->setup = spi_controller_setup;
    controller->transfer = spi_controller_transfer;
    return 0;
}

2.设备探测（Probe）

当一个新的 SPI 设备连接到总线时，SPI 总线驱动会调用设备的 probe 函数进行初始化。在 probe 函数中，SPI 设备会被配置为适当的 SPI 模式和传输参数，然后添加到 SPI 总线中。

static int spi_device_probe(struct spi_device *spi)
{
    // 设置设备的 SPI 参数并初始化
    spi->max_speed_hz = 1000000;
    spi->mode = SPI_MODE_0;
    return 0;
}

3.数据传输（Data Transfer）

SPI 总线的核心功能是数据传输。当设备进行数据传输时，SPI 总线驱动会调用相应的 transfer 或 transfer_one 函数来执行数据交换。这些函数会根据 SPI 设备的配置（如时钟、模式）来控制数据传输。

static int spi_transfer_data(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *transfer)
{
    // 使用 SPI 控制器进行数据传输
    return spi_controller_transfer(spi, transfer);
}

4.设备移除（Remove）

当 SPI 设备从总线移除时，SPI 总线驱动会调用设备的 remove 函数进行资源清理，并将设备从总线中注销。

static int spi_device_remove(struct spi_device *spi)
{
    // 清理 SPI 设备的资源
    return 0;
}

1.4、SPI 总线模块开发中的注意事项

时钟频率与数据速率：SPI 通信速率受限于硬件控制器的时钟频率。在开发时，应该确保 SPI 总线和从设备都能支持所设定的最大速度。
SPI 模式配置：SPI 协议有 4 种基本模式（CPOL 和 CPHA 配置），不同的设备可能需要不同的模式。驱动程序需要配置正确的模式。
DMA 支持：对于高速传输，使用 DMA（直接存储器访问）可以提高数据传输效率，减少 CPU 占用。
片选管理：当多个设备共享同一 SPI 总线时，必须正确管理片选线，以确保每次通信仅与一个从设备进行。

二、SPI总线的注册

spi模块也是基于LINUX设备-总线-驱动模型进行开发的，因此其spi总线，也是需要注册到LINUX系统的总线模块的，调用的接口为是bus_register，看下spi总线都定义了哪些内容，如下是spi_bus_type的定义：

drivers/spi/spi.c

struct bus_type spi_bus_type = {
	.name		= "spi",
	.dev_groups	= spi_dev_groups,
	.match		= spi_match_device,
	.uevent		= spi_uevent,
	.probe		= spi_probe,
	.remove		= spi_remove,
	.shutdown	= spi_shutdown,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_bus_type);

分析一下spi总线实现的成员变量：

定义了该总线的名称为spi；
定义了spi总线上注册设备时在sysfs中所需要创建的默认属性文件（即注册到spi总线上的设备，均需要在其设备目录下创建默认的属性文件），spi_dev_attr的定义如下，即每一个注册在spi总线上的spi设备，在挂载的sysfs文件系统对应目录下均会创建modalias的属性文件，该文件只有读权限，主要读取spi设备的名称（格式为“spi：spi->modalias”）

 	static struct device_attribute spi_dev_attrs[] = {
		__ATTR_RO(modalias),
		__ATTR_NULL,
};

该spi的match接口为spi_match_device，该接口主要用于spi设备与spi驱动的匹配检测；
spi_uevent主要是在spi设备与spi驱动完成绑定时，发送给应用层的uevent条目，此处主要是增加“MODALIAS=spi:spi->modalias”的uevent条目。
spi_pm为spi总线模块电源管理相关的接口（这块我还不熟悉，暂时就不展开了）

2.1、spi_match_device接口分析

该接口主要进行spi设备与驱动的匹配检测，该接口目前支持基于OF模块的匹配、基于spi设备与驱动名称的匹配检测、acpi模块的匹配检测。主要功能如下：

若LINUX系统支持OF，则调用of_driver_match_device进行OF部分的匹配接口，这是使用LINUX设备-总线-驱动模型中device类型变量与device_driver类型变量的成员间的匹配（device->of_node、device_driver->of_match_table这两个成员变量完成匹配）；
若该spi设备或驱动支持acpi，则调用acpi_driver_match_device，进行acpi模块的匹配；
否则则调用spi_match_id，进行设备与驱动的匹配（这主要是将spi 设备的modalias变量与spi驱动的id_table中的参数进行比较）

 static int spi_match_device(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
	const struct spi_device	*spi = to_spi_device(dev);
	const struct spi_driver	*sdrv = to_spi_driver(drv);
 
	/* Attempt an OF style match */
	if (of_driver_match_device(dev, drv))
		return 1;
 
	/* Then try ACPI */
	if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
		return 1;
 
	if (sdrv->id_table)
		return !!spi_match_id(sdrv->id_table, spi);
 
	return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;
}

2.2、spi总线注册

当调用bus_register完成spi总线的注册后，spi总线与LINUX系统bus_kset、已注册到LINUX系统的总线以及spi总线与sysfs中的各结构体的关联图如下所示：

针对spi总线而言，其对应kobject在sysfs系统下对应一个sysfs_dirent类型的变量，通过该类型的变量即可在sysfs目录下创建一个目录（针对spi总线而言即为/sys/bus/spi），而spi总线对应kobject其kobj_type中的sysfs_ops则指向了总线的处理接口，通过这些接口即可对spi总线的属性文件进行读写操作（即可向/sys/bus/spi/下的普通文件进行读写操作）。
而注册到LINUX系统上的总线，通过其kset->kobject成员中的list变量，即完成了各注册的总线的关联。