Linux驱动 SPI子系统

1、SPI协议

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行数据通信协议，通常用于连接微控制器和外部设备，如传感器、存储器、显示器等。SPI协议使用四根线进行通信，包括时钟线（SCLK）、数据输入线（MISO）、数据输出线（MOSI）和片选线（SS）。

SPI通信的基本过程如下：

主设备通过片选线选择要与之通信的从设备
主设备通过时钟线产生时钟信号，控制数据传输的时序
主设备通过数据输出线（MOSI）发送数据到从设备
从设备通过数据输入线（MISO）返回响应数据到主设备

时钟线在空闲时可以有高低电平两种状态，数据在采样可以在时钟线的奇数沿或者偶数沿，前者为极性，后者为相位，一共四种组合构成了SPI通信的4种模式：

模式	极性	相位	说明
0	0	0	clk空闲为低电平，在奇数沿采样
1	0	1	clk空闲为低电平，在偶数沿采样
2	1	0	clk空闲为高电平，在奇数沿采样
3	1	1	clk空闲为高电平，在偶数沿采样

以模式0为例，clk空闲为低电平，第一个沿为奇数沿，是从低电平变高电平的上升沿，在此处进行数据采样：

2、SPI驱动子系统

2.1 主机驱动

主机驱动一般由SOC厂商编写，本文示例使用的全志H616的内核代码，源码位于drivers/spi/spi-sunxi.c，主机驱动使用了platform总线驱动模型， platform总线的详细匹配过程可以参考之前的文章：Linux驱动（四）platform总线匹配过程，在设备树中配置好对应节点后，能够与内核配置的of_match_table匹配成功就会调用probe函数：

probe函数主要完成两个任务，一个是根据设备树的配置获取spi通信的相关参数，申请-->初始化-->注册spi_master；二是将设备树配置的子节点转化为spi_device数据结构，供后续的设备驱动使用：

2.2 设备驱动

linux内核中spi设备驱动代码位置：/drivers/spi/spidev.c。驱动的入口函数如下，正常的字符设备驱动需要经过三个步骤：register_chrdev-->class_create-->device_create；但是在入口函数中只进行了前面两步，然后调用spi_register_driver向spi总线进行了驱动注册。

static int __init spidev_init(void)
{int status;BUILD_BUG_ON(N_SPI_MINORS > 256);status = register_chrdev(SPIDEV_MAJOR, "spi", &spidev_fops);if (status < 0)return status;spidev_class = class_create(THIS_MODULE, "spidev");if (IS_ERR(spidev_class)) {unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi_driver.driver.name);return PTR_ERR(spidev_class);}status = spi_register_driver(&spidev_spi_driver);if (status < 0) {class_destroy(spidev_class);unregister_chrdev(SPIDEV_MAJOR, spidev_spi_driver.driver.name);}return status;
}

spi_register_driver注册驱动，其本质也是使用总线设备驱动模型，不过其使用的是spi总线，设备树中的节点转换为spi_device与驱动进行匹配，匹配成功后则会调用驱动的probe函数，其具体的匹配过程如下：

设备和驱动通过spi总线匹配成功后执行probe函数，即spidev_probe函数，其内容如下，在31行使用device_create进行字符设备创建，在前面的入口函数中已经完成register_chrdev和class_create，在此处调用device_create创建了spidevxx设备，其中第一个x表示的事第几路SPI，第二个x表示的是该SPI下的第几个片选设备（设备树<reg>属性）：

static int spidev_probe(struct spi_device *spi)
{struct spidev_data	*spidev;int			status;unsigned long		minor;if (spi->dev.of_node && !of_match_device(spidev_dt_ids, &spi->dev)) {dev_err(&spi->dev, "buggy DT: spidev listed directly in DT\n");WARN_ON(spi->dev.of_node &&!of_match_device(spidev_dt_ids, &spi->dev));}spidev_probe_acpi(spi);spidev = kzalloc(sizeof(*spidev), GFP_KERNEL);if (!spidev)return -ENOMEM;spidev->spi = spi;spin_lock_init(&spidev->spi_lock);mutex_init(&spidev->buf_lock);INIT_LIST_HEAD(&spidev->device_entry);mutex_lock(&device_list_lock);minor = find_first_zero_bit(minors, N_SPI_MINORS);if (minor < N_SPI_MINORS) {struct device *dev;spidev->devt = MKDEV(SPIDEV_MAJOR, minor);dev = device_create(spidev_class, &spi->dev, spidev->devt,spidev, "spidev%d.%d",spi->master->bus_num, spi->chip_select);status = PTR_ERR_OR_ZERO(dev);} else {dev_dbg(&spi->dev, "no minor number available!\n");status = -ENODEV;}if (status == 0) {set_bit(minor, minors);list_add(&spidev->device_entry, &device_list);}mutex_unlock(&device_list_lock);spidev->speed_hz = spi->max_speed_hz;if (status == 0)spi_set_drvdata(spi, spidev);elsekfree(spidev);return status;
}

在上述代码中定义了struct spidev_data *spidev，其存储了spi设备对应的master结构体和设备本身的设备号，因此当使用open函数打开该设备节点的时候就可以反向查找到该设备对应的master结构体，进而可以使用其中的收发函数实现数据传输。

2.3 应用测试

目前测试的设备中设备树配置了两路SPI，每一路配置了一个设备：

根据上述分析，会生成两个字符设备，查看/dev下相关文件：

内核中spi驱动程序使用示例在/tools/spi/spidev_fdx.c中，重点查看do_msg接口：

static void do_msg(int fd, int len)
{struct spi_ioc_transfer	xfer[2];unsigned char		buf[32], *bp;int			status;memset(xfer, 0, sizeof xfer);memset(buf, 0, sizeof buf);if (len > sizeof buf)len = sizeof buf;buf[0] = 0xaa;xfer[0].tx_buf = (unsigned long)buf;xfer[0].len = 1;xfer[1].rx_buf = (unsigned long) buf;xfer[1].len = len;status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);if (status < 0) {perror("SPI_IOC_MESSAGE");return;}printf("response(%2d, %2d): ", len, status);for (bp = buf; len; len--)printf(" %02x", *bp++);printf("\n");
}

根据上述示例编写一个简单的测试用例，将SPI的输入和输出进行短接，测试数据发送与数据接收是否一致，测试代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>#include <linux/types.h>
#include <linux/spi/spidev.h>int main(int argc, char **argv)
{int fd, ret = 0;struct spi_ioc_transfer xfer = {0};unsigned char sendbuf[6] = "hello";unsigned char recvbuf[6] = {0};fd = open("/dev/spidev1.1", O_RDWR);if (fd < 0){printf("error, can't open /dev/spidev1.1\n");return 0;}xfer.tx_buf =  (unsigned long)sendbuf;xfer.rx_buf =  (unsigned long)recvbuf;xfer.len =  6;ret = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &xfer);if(ret < 0){printf("err\n");}else{printf("send data : %s\n", sendbuf);printf("recv data : %s\n", recvbuf);}return 0;
}

编译程序进行测试，测试结果正常：