Linux SPI设备分析4

原创于 2024-12-21 14:41:03 发布 · 890 阅读

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Linux SPI设备分析4（基于Linux6.6）---SPI 通信接口介绍

前言

1.SPI 总线接口

在 Linux 中，SPI 总线接口允许主设备和从设备之间进行数据交换。主要的操作包括：

SPI 总线的初始化：初始化 SPI 控制器，配置时钟频率、极性和传输模式。
SPI 数据传输：通过 spi_sync 或 spi_async 等函数进行数据传输。
SPI 设备管理：通过 SPI 驱动程序，管理 SPI 外设的生命周期（如 probe 和 remove）。

2.SPI 传输模式

SPI 协议支持多个传输模式，主要包括时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合，通常有以下几种模式：

SPI_MODE_0：CPOL = 0, CPHA = 0
SPI_MODE_1：CPOL = 0, CPHA = 1
SPI_MODE_2：CPOL = 1, CPHA = 0
SPI_MODE_3：CPOL = 1, CPHA = 1

这些模式决定了数据传输时的时钟信号和数据位的采样时机。

3.通信方式

spi模块提供的通信方法，通过该通信方法，即可完成cpu与具体spi设备之间的通信（借助spi controller）。

其实，spi_sync、spi_async的实现也不是太复杂，但是由于在新版内核中，针对spi_sync，spi核心提供了基于worker线程的处理方式，基于该方式则所有spi master均不需要提供spi_transfer接口，而使用spi核心定义的spi_queued_transfer即可。而这两个接口也是与具体的spi master相关联的。

一、spi_sync、spi_async

Spi 核心提供两种通信方法spi_sync、spi_async（同步、异步），这两种方法最终均是通过调用__spi_async接口实现数据的通信。

drivers/spi/spi.c

在 probe 函数中，设置好 SPI 参数之后，可以通过 spi_sync() 或 spi_async() 函数进行数据传输。

同步传输：spi_sync 是一个阻塞的函数，执行时会等待传输完成。

int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
	int ret;

	mutex_lock(&spi->controller->bus_lock_mutex);
	ret = __spi_sync(spi, message);
	mutex_unlock(&spi->controller->bus_lock_mutex);

	return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_sync);

异步传输：spi_async 是非阻塞的，传输操作会在后台执行。

int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
	int ret;

	mutex_lock(&spi->controller->bus_lock_mutex);
	ret = __spi_sync(spi, message);
	mutex_unlock(&spi->controller->bus_lock_mutex);

	return ret;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_sync);

这两个接口的处理流程图如下所示：

对于同步通信，设置本次传输的spi_message类型变量的complete函数指针指向spi_complete，借助完成量机制，完成spi的同步通信操作（主要借助完成量的complete、wait_for_completion这两个接口，其实这两个接口也就是借助内核的等待队列，根据等待队列的sleep、wakeup实现完成量）；
对于异步通信，则不必执行上述1中的内容；
对本次通信的spi_message类型变量进行合法性检查，包括spi_message->transfer链表上所有需要输出的spi_transfer类型的数据进行合法性检测、传输速率等信息的合法性检测。
调用spi控制器的transfer接口，进行数据传输操作。

二、spi核心提供的spi queue处理方式

针对spi核心提供的spi_sync、spi_async接口，基本上完成上面的框架接口，然后每一个spi_master则通过实现spi_master->transfter接口，即实现了数据通信。但在新版的内核中，spi核心模块又提供了kthread_worker机制，通过为每一个spi控制器创建worker线程，由该worker线程处理该spi总线上所有需要处理的通信数据。

2.1、Spi 控制器的worker kthread的创建

当调用spi_register_master接口注册一个spi控制器，若该控制器支持队列模式，则调用spi_master_initialize_queue接口创建一个worker kthread，同时将master->kworker绑定到该线程生；
初始化master->pump_messages，用于注册到master->kworker上。

2.2、Spi 控制器queue机制的transfer接口

针对提供queue机制的spi控制器，其transfer接口均指向spi_queued_transfer，该接口的实现流程如下，主要实现功能如下：

将该spi_message类型的变量加入到spi->master的queue队列上；
将master->pump_messages加入到master->kworker上。

当spi_queued_transfer完成将master->pump_messages加入到master->kworker上后，worker kthread线程的处理函数kthread_worker_fn即会从master->kworker上取出一个kthread_work，并调用该变量的func接口，对于spi控制器而言，即为spi_pump_messages接口。该接口的实现功能如下：

然后调用该master->prepare_transfer_hardware、transfer_one_message接口，完成针对该spi_message类型变量的数据传输，这就由具体控制器的接口来实现相应功能。

在 Linux 内核中，SPI 驱动程序通过 SPI 总线与外设进行数据传输。为了实现高效的通信，SPI 驱动程序使用了基于队列的机制来管理数据传输。SPI 核心通过队列和异步传输接口为 SPI 设备提供了更加灵活和高效的操作方式。队列模式的引入主要是为了避免主设备阻塞并支持异步操作，提高了多任务环境下的效率。

2.3、实现机制

1. SPI 异步队列传输机制

在 Linux 内核中，SPI 驱动程序通常使用两个主要的队列来实现数据传输：

spi_message 队列：每个 SPI 传输操作由 spi_message 结构体表示，spi_message 中可以包含多个传输（spi_transfer），这些传输操作会被排入队列中，等待 SPI 控制器执行。
SPI 总线队列：当多个传输请求同时到来时，Linux SPI 核心会将这些请求添加到总线的传输队列中，按照优先级进行调度执行。

2. `spi_message` 和 `spi_transfer` 结构体

spi_message

spi_message 结构体用于表示一个 SPI 传输请求，它包含了多个传输元素（即 spi_transfer），用于存储具体的数据传输操作。它是队列传输机制的核心。

struct spi_message {
    struct list_head transfers;   // 传输队列
    struct spi_device *spi;       // 目标SPI设备
    unsigned int actual_length;   // 实际传输的字节数
    unsigned int status;          // 传输状态
    void (*complete)(struct spi_device *spi, struct spi_message *msg);  // 完成回调函数
    struct list_head queue;       // 用于将消息挂入总线队列中
};

transfers：表示这个消息中的所有传输（spi_transfer）。一个消息可以包含多个传输操作。
spi：指向对应的 SPI 设备。
complete：在传输完成后调用的回调函数。
queue：一个链表，用于将 spi_message 插入到总线的消息队列中。

spi_transfer

spi_transfer 结构体用于表示单次的 SPI 数据传输，它包含了数据的输入输出缓冲区、传输长度等。

struct spi_transfer {
    void *tx_buf;            // 发送数据缓冲区
    void *rx_buf;            // 接收数据缓冲区
    unsigned len;            // 传输的字节数
    unsigned speed_hz;       // SPI 传输的时钟频率
    unsigned bits_per_word;  // 每个传输数据的位数
    unsigned cs_change;      // 是否在此传输后改变片选信号
    struct spi_device *spi;  // 对应的SPI设备
};

tx_buf 和 rx_buf：分别是用于发送和接收数据的缓冲区。
len：传输的字节数。
speed_hz：该传输的时钟频率。
bits_per_word：传输每个数据位的宽度（如 8 位、16 位等）。
cs_change：如果设置为 1，表示片选信号将在该传输完成后改变；否则不会改变。

3. SPI 异步传输接口

SPI 提供了异步传输接口来支持队列模式的操作，这使得传输操作可以在后台进行，不会阻塞主设备。主要的异步接口包括 spi_async() 和 spi_sync()。

spi_async()

spi_async() 是用于执行异步传输的接口，它将一个 spi_message 添加到 SPI 总线的队列中，后台将处理这个请求。

int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);

spi：目标 SPI 设备。
mesg：包含要发送的传输数据的 spi_message 结构体。

当调用 spi_async() 时，Linux 内核会将 spi_message 排入 SPI 控制器的消息队列中，后台会异步执行这个传输操作。当传输完成时，complete 回调函数会被调用。

spi_sync()

spi_sync() 是同步传输接口，它会等待传输完成后才会返回。因此，它会阻塞调用线程，直到所有的传输操作完成。

int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);

spi：目标 SPI 设备。
mesg：包含要发送的传输数据的 spi_message 结构体。

spi_sync() 会直接等待传输完成，并返回最终的传输状态。

4. SPI 总线队列调度机制

SPI 总线队列负责调度和管理待执行的传输任务。每当 SPI 驱动调用 spi_async() 或者 spi_sync() 时，传输请求会被放入总线队列中。SPI 控制器会依次处理这些任务，直到队列为空。Linux SPI 驱动会根据实际情况选择合适的调度方式。

SPI 总线调度的关键在于它是基于优先级的。通常，设备的 SPI 控制器会根据传输顺序或者优先级来调度消息的执行。而在一些情况下，传输任务的优先级和依赖关系可能会导致复杂的调度策略。

5. SPI 完成回调机制

当 SPI 传输完成后，内核会触发 spi_message 中定义的 complete 回调函数。这个回调函数可以用于通知应用层或者 SPI 驱动，当前传输已完成。

void my_spi_transfer_complete(struct spi_device *spi, struct spi_message *msg)
{
    // 处理传输完成后的逻辑
    pr_info("SPI transfer complete.\n");
}

6. 使用 SPI 队列的优势

非阻塞操作：通过队列模式和异步传输，多个 SPI 设备和传输可以同时进行，而不会阻塞主设备的其他操作。这提高了系统的并发性和响应速度。
更高效的资源管理：使用队列可以更好地调度多个设备之间的传输任务，避免了不必要的资源竞争和调度延迟。
支持复杂的传输操作：SPI 消息队列允许在一个 spi_message 中包含多个传输操作（spi_transfer），这使得驱动程序可以在一个批次中进行多个数据的传输，减少了传输次数和开销。