spi
一、SPI概述
SPI（Serial Peripheral interface）就是串行外围设备接口，是一种串行的主从接口，集成在很多微控制器内部。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，RTC，实时时钟，ADC，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI的四根线分别为
SDI(MISO) ：主器件数据输入，从器件数据输出
SDO(MOSI) ：主器件数据输出，从器件数据输入
SCLK：时钟信号，由主器件产生。
CS：从器件使能信号，由主器件控制选择实能哪个器件
spi主从硬件连接图
工作时序：
按照时钟信号和数据信号之间的相位关系，SPI有4种工作时序模式：
更详细参考这个：
我们用CPOL表示时钟信号的初始电平的状态，CPOL为0表示时钟信号初始状态为低电平，为1表示时钟信号的初始电平是高电平。另外，我们用CPHA来表示在那个时钟沿采样数据，CPHA为0表示在首个时钟变化沿采样数据，而CPHA为1则表示要在第二个时钟变化沿来采样数据。内核用CPOL和CPHA的组合来表示当前SPI需要的工作模式：
CPOL＝0，CPHA＝1 模式0
CPOL＝0，CPHA＝1 模式1
CPOL＝1，CPHA＝0 模式2
CPOL＝1，CPHA＝1 模式3
在2.6的linux内核中，类似I2C的总线架构，SPI的驱动架构可以分为如下三个层次：SPI 核心层、SPI主机控制器驱动层和SPI设备驱动层。
Linux 中SPI驱动代码位于drivers/spi目录中
1、spi核心层
spi核心层是spi总线的核心部分，提供了核心数据结构的定义、spi控制器驱动和spi设备驱动的注册、注销方法的API。其为硬件平台无关层，向下屏蔽了物理总线控制器的差异，定义了统一的访问策略和接口；其向上提供了统一的接口，以便SPI设备驱动通过总线控制器进行数据收发。
SPI核心层的代码位于：driver/spi/ spi.c （这一个文件分析后续有待补充。。。）
IO模拟SPI接口代码位于：drivers/spi/spi_gpio.c
2、spi控制器驱动层：
SPI控制器驱动层，每种处理器平台都有自己的控制器驱动，属于平台移植相关层。它的职责是为系统中每条SPI总线实现相应的读写方法。在物理上，每个SPI控制器可以连接若干个SPI从设备。
在系统开机时，SPI控制器驱动被首先装载。一个控制器驱动用于支持一条特定的SPI总线的读写。一个主机控制器驱动可以用数据结构struct spi_master来描述，其主要成员是主机控制器的序号(系统中可能存在多个spi主机控制器)、片选数量、spi模式和时钟设置用到的函数、数据传输用到的函数等。
在include/liunx/spi/spi.h文件中，在数据结构struct spi_master定义如下：
struct spi_master {
struct device dev;
s16 bus_num; //该控制器对应的SPI总线号
u16 num_chipselect; //控制器支持的片选数量，即能支持多少个spi设备
//设置SPI总线的模式，时钟等的初始化函数， 针对设备设置SPI的工作时钟及数据传输模式等。在spi_add_device函数中调用
int (*setup)(struct spi_device *spi);
int (*transfer)(struct spi_device *spi, struct spi_message *mesg);
//实现SPI总线读写方法的函数。实现数据的双向传输，可能会睡眠
void (*cleanup)(struct spi_device *spi); //注销的时候调用
};
分配、注册和注销spi主机的API由SPI核心提供：
struct spi_master * spi_alloc_master(struct device *host, unsigned size);
int spi_register_master(struct spi_master *master);
void spi_unregister_master(struct spi_master *master);
3、spi外设驱动层
SPI设备驱动层为用户接口层，其为用户提供了通过SPI总线访问具体设备的接口
SPI设备驱动层可以用两个模块来描述，struct spi_driver和struct spi_device
相关的数据结构如下：
struct spi_driver {
int (*probe)(struct spi_device *spi);
int (*remove)(struct spi_device *spi);
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
int (*suspend)(struct spi_device *spi, pm_message_t mesg);
int (*resume)(struct spi_device *spi);
struct device_driver driver;
};
Driver是为device服务的，spi_driver注册时会扫描SPI bus上的设备，进行驱动和设备的绑定，probe函数用于驱动和设备匹配时被调用。从上面的结构体注释中我们可以知道，SPI的通信是通过消息队列机制，而不是像I2C那样通过与从设备进行对话的方式。
struct spi_device {
struct device dev;
struct spi_master *master;
u32 max_speed_hz;
u8 chip_select;
u8 mode;
u8 bits_per_word;
int irq;
void *controller_state;
void *controller_data;
char modalias[32];
};
在spi外设驱动中，当通过spi总线进行数据传输的时候，使用了一套与cpu无关的统一的接口。这套接口的第一个关键参数就是spi_transfer,它用于spi的传输。
struct spi_transfer {
/* it's ok if tx_buf == rx_buf (right?)
* for MicroWire, one buffer must be null
* buffers must work with dma_*map_single() calls, unless
* spi_message.is_dma_mAPPed reports a pre-existing mapping
*/
const void *tx_buf;
void *rx_buf;
unsigned len;
dma_addr_t tx_dma;
dma_addr_t rx_dma;
struct sg_table tx_sg;
struct sg_table rx_sg;
unsigned cs_change:1;
unsigned tx_nbits:3;
unsigned rx_nbits:3;
#define SPI_NBITS_SINGLE 0x01 /* 1bit transfer */
#define SPI_NBITS_DUAL 0x02 /* 2bits transfer */
#define SPI_NBITS_QUAD 0x04 /* 4bits transfer */
u8 bits_per_word;
u16 delay_usecs;
u32 speed_hz;
struct list_head transfer_list;
};
而一次完整的spi传输流程可能不只是包含一次spi_transfer，它可能包含一个或多个，而这些spi_transfer最终通过spi_message组织在一起
struct spi_message {
struct list_head transfers;
struct spi_device *spi;
unsigned is_dma_mapped:1;
/* REVISIT: we might want a flag affecting the behavior of the
* last transfer ... allowing things like "read 16 bit length L"
* immediately followed by "read L bytes". Basically imposing
* a specific message scheduling algorithm.
*
* Some controller drivers (message-at-a-time queue processing)
* could provide that as their default scheduling algorithm. But
* others (with multi-message pipelines) could need a flag to
* tell them about such special cases.
*/
/* completion is reported through a callback */
void (*complete)(void *context);
void *context;
unsigned frame_length;
unsigned actual_length;
int status;
/* for optional use by whatever driver currently owns the
* spi_message ... between calls to spi_async and then later
* complete(), that's the spi_master controller driver.
*/
struct list_head queue;
void *state;
};
通过spi_message_init()口语初始化spi_message，而将spi_transfer添加到spi_message队列的方法则是：
void spi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m)
发起一次spi_message的传输有同步和异步两种方式，使用同步api时，会阻塞等待这个消息被处理完：
int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
使用异步spi时，不会阻塞，但是可以在spi_message的complete字段挂接一个回调函数，当消息处理完，函数会被调用：
int spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
下面给出spi传输的例子：
static int tsc2005_write(struct tsc2005 *ts, u8 reg, u16 value)
{
u32 tx = ((reg | TSC2005_REG_PND0) << 16) | value;
struct spi_transfer xfer = {
.tx_buf = &tx,
.len = 4,
.bits_per_word = 24,
};
struct spi_message msg;
int ERROR;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&xfer, &msg);
error = spi_sync(ts->spi, &msg);
if (error) {
dev_err(&ts->spi->dev,
"%s: failed, register: %x, value: %x, error: %d\n",
__func__, reg, value, error);
return error;
}
return 0;
}
static int tsc2005_read(struct tsc2005 *ts, u8 reg, u16 *value)
{
struct tsc2005_spi_rd spi_rd;
struct spi_message msg;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&spi_rd.spi_xfer, &msg);
return spi_sync(ts->spi, &msg);
}
spi外设驱动遍布于内核的drivers、sound等各个子目录下，spi只是一种总线，spi_driver的作用只是将spi外设挂接在该总线上，因此在spi_driver的probe（）成员函数中，将注册spi外设本身所属设备驱动的类型。
和platform_driver对应这一个platform_device一样，spi_driver也对应这一个spi_device，platform_device需要在bsp的板级文件中添加信息数据，而spi_device同样也需要，记录了spi外设所使用的主机控制器序号、片选序号、数据比特率、spi传输模式（spol、cpha）等
可以参考：arch/arm/mach-omap1/board_nokia.c
linux3.x后的内核改为设备树后，不再需要arch/arm/mach-xxx板级信息了，倾向于在spi控制器节点下填写子节点
可以参考：arch/arm/boot/dts/omap3-over-common-lcd43.dtsi中包含的ads7846节点
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