Linux驱动修炼之道-SPI驱动框架源码分析(上)

SPI驱动架构，以前用过，不过没这个详细，跟各位一起分享：

来自：http://blog.csdn.NET/woshixingaaa/article/details/6574215

SPI协议是一种同步的串行数据连接标准，由摩托罗拉公司命名，可工作于全双工模式。相关通讯设备可工作于m/s模式。

主设备发起数据帧，允许多个从设备的存在。每个从设备有独立的片选信号，SPI一般来说是四线串行总线结构。

接口：
SCLK——Serial Clock(output from master)时钟(主设备发出)
MOSI/SIMO——Master Output, Slave Input(output from master)数据信号线mosi(主设备发出)
MISO/SOMI——Master Input,Slave Outpu(output from slave)数据信号线(从设备)
SS——Slave Select(active low;output from master)片选信号

下面来看一下Linux中的SPI驱动。在Linux设备驱动框架的设计中，有一个重要的主机，外设驱动框架分离的思想，如下图。

外设a,b,c的驱动与主机控制器A,B,C的驱动不相关，主机控制器驱动不关心外设，而外设驱动也不关心主机，外设只是访问核心层的通用的API进行数据的传输，主机和外设之间可以进行任意的组合。如果我们不进行如图的主机和外设分离，外设a,b,c和主机A,B,C进行组合的时候，需要9种不同的驱动。设想一共有m个主机控制器，n个外设，分离的结构是需要m+n个驱动，不分离则需要m*n个驱动。

下面介绍spi子系统的数据结构：
在Linux中，使用spi_master结构来描述一个SPI主机控制器的驱动。

struct spi_master {  struct device    dev;  s16    bus_num;/*总线编号，从0开始*/  u16 num_chipselect;  /*支持的片选的数量，从设备的片选号不能大于这个数量*/ u16 dma_alignment;/*改变spi_device的特性如：传输模式，字长，时钟频率*/int (*setup)(struct spi_device *spi);/*添加消息到队列的方法，这个函数不可睡眠，他的任务是安排发生的传送并且调用注册的回调函数complete()*/int (*transfer)(struct spi_device *spi,struct spi_message *mesg); void (*cleanup)(struct spi_device *spi); };

分配，注册和注销的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); 

在Linux中用spi_driver来描述一个SPI外设驱动。

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;  };

可以看出，spi_driver结构体和platform_driver结构体有极大的相似性，都有probe(),remove(),suspend(),resume()这样的接口。

Linux用spi_device来描述一个SPI外设设备。

struct spi_device {struct devicedev;struct spi_master*master;   //对应的控制器指针u32u32max_speed_hz;//通信时钟最大频率u8u8chip_select;//片选号,用于区分同一总线上的不同设备u8mode;//SPI设备的模式，下面的宏是它各bit的含义#defineSPI_CPHA0x01/* clock phase */  //采样的时钟相位#defineSPI_CPOL0x02/* clock polarity */ //时钟信号起始相位:上升沿或下降沿触发#defineSPI_MODE_0(0|0)/* (original MicroWire) */#defineSPI_MODE_1(0|SPI_CPHA)#defineSPI_MODE_2(SPI_CPOL|0)#defineSPI_MODE_3(SPI_CPOL|SPI_CPHA)#defineSPI_CS_HIGH0x04/* chipselect active high? */ //为1时高电平有效#defineSPI_LSB_FIRST0x08/* per-word bits-on-wire */ //发送时低比特在前#defineSPI_3WIRE0x10/* SI/SO signals shared */ //输入输出信号使用同一根信号线#defineSPI_LOOP0x20/* loopback mode */ //回环模式#defineSPI_NO_CS0x40/* 1 dev/bus, no chipselect */ #defineSPI_READY0x80/* slave pulls low to pause */u8bits_per_word;  //每个通信字的字长的比特位intirq;     //使用的中断void*controller_state;void*controller_data;charmodalias[SPI_NAME_SIZE];   //设备驱动的名字/* * likely need more hooks for more protocol options affecting how * the controller talks to each chip, like: *  - memory packing (12 bit samples into low bits, others zeroed) *  - priority *  - drop chipselect after each word *  - chipselect delays *  - ... */};

如下图，看这三个结构的关系，这里spi_device与spi_master是同一个父设备，这是在spi_new_device函数中设定的，一般这个设备是一个物理设备。

这里的spi_master_class,spi_bus_type又是什么呢，看下边两个结构体：

struct bus_type spi_bus_type = {        .name       = "spi",     .dev_attrs  = spi_dev_attrs,     .match    = spi_match_device,     .uevent   = spi_uevent,      .suspend  = spi_suspend,     .resume   = spi_resume,  };   static struct class spi_master_class = {         .name             = "spi_master",       .owner           = THIS_MODULE,      .dev_release    = spi_master_release,  }; 

spi_bus_type对应spi中的spi bus总线，spidev的类定义如下：

static struct class *spidev_class; 

创建这个类的主要目的是使mdev/udev能在/dev下创建设备节点/dev/spiB.C。B代表总线，C代表片外设备的片选号。

下边来看两个板级的结构，其中spi_board_info用来初始化spi_device，s3c2410_spi_info用来初始化spi_master。这两个板级的结构需要在移植的时候在arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中初始化。

struct spi_board_info {  char     modalias[32];   //设备与驱动匹配的唯一标识  const void    *platform_data;  void     *controller_data;  int        irq;  u32     max_speed_hz;  u16        bus_num;       //设备所归属的总线编号  u16      chip_select;  u8      mode;  };  struct s3c2410_spi_info {  int     pin_cs;         //芯片选择管脚  unsigned int    num_cs;         //总线上的设备数  int        bus_num;        //总线号  void (*gpio_setup)(struct s3c2410_spi_info *spi, int enable);     //spi管脚配置函数  void (*set_cs)(struct s3c2410_spi_info *spi, int cs, int pol);  };    

boardinfo是用来管理spi_board_info的结构，spi_board_info通过spi_register_board_info(struct spi_board_info const *info, unsigned n)交由boardinfo来管理，并挂到board_list链表上，list_add_tail(&bi->list,&board_list);

struct boardinfo {    /*用于挂到链表头board_list上*/  struct list_head  list;  /*管理的spi_board_info的数量*/  unsigned  n_board_info;  /*存放结构体spi_board_info*/  struct spi_board_info    board_info[0];  }; 

s3c24xx_spi是S3C2440的SPI控制器在Linux内核中的具体描述，该结构包含spi_bitbang内嵌结构，控制器时钟频率和占用的中断资源等重要成员，其中spi_bitbang具体负责SPI数据的传输。

struct s3c24xx_spi {  /* bitbang has to be first */  struct spi_bitbang  bitbang;  struct completion   done;  void __iomem      *regs;  int            irq;  int             len;  int             count;  void         (*set_cs)(struct s3c2410_spi_info *spi,  int cs, int pol);  /* data buffers */const unsigned char *tx;  unsigned char       *rx;  struct clk      *clk;  struct resource        *ioarea;  struct spi_master   *master;  struct spi_device   *curdev;  struct device       *dev;  struct s3c2410_spi_info *pdata;  };  

为了解决多个不同的SPI设备共享SPI控制器而带来的访问冲突，spi_bitbang使用内核提供的工作队列(workqueue)。workqueue是Linux内核中定义的一种回调处理方式。采用这种方式需要传输数据时，不直接完成数据的传输，而是将要传输的工作分装成相应的消息(spi_message)，发送给对应的workqueue，由与workqueue关联的内核守护线程(daemon)负责具体的执行。由于workqueue会将收到的消息按时间先后顺序排列，这样就是对设备的访问严格串行化，解决了冲突。

struct spi_bitbang {  struct workqueue_struct *workqueue;      //工作队列头  struct work_struct  work;            //每一次传输都传递下来一个spi_message，都向工作队列头添加一个  workspinlock_t        lock;  struct list_head   queue;           //挂接spi_message，如果上一次的spi_message还没有处理完，接下来的spi_message就挂接在queue上等待处理  u8            busy;            //忙碌标志  u8           use_dma;  u8          flags;  struct spi_master *master;/*一下3个函数都是在函数s3c24xx_spi_probe()中被初始化*/  int  (*setup_transfer)(struct spi_device *spi,struct spi_transfer *t);   //设置传输模式  void    (*chipselect)(struct spi_device *spi, int is_on);                    //片选  #define    BITBANG_CS_ACTIVE   1   /* normally nCS, active low */  #define   BITBANG_CS_INACTIVE 0/*传输函数，由s3c24xx_spi_txrx来实现*/  int   (*txrx_bufs)(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *t);  u32    (*txrx_word[4])(struct spi_device *spi,unsigned nsecs,u32 word, u8 bits);  };

下面来看看spi_message：

struct spi_message {  struct list_head    transfers;   //此次消息的传输队列，一个消息可以包含多个传输段  struct spi_device *spi;        //传输的目的设备  unsigned      is_dma_mapped:1;  //如果为真，此次调用提供dma和cpu虚拟地址  void          (*complete)(void *context);  //异步调用完成后的回调函数  void         *context;                    //回调函数的参数  unsigned      actual_length;               //此次传输的实际长度  int         status;                      //执行的结果，成功被置0，否则是一个负的错误码  struct list_head   queue;  void          *state;  };    

在有消息需要传递的时候，会将spi_transfer通过自己的transfer_list字段挂到spi_message的transfers链表头上。spi_message用来原子的执行spi_transfer表示的一串数组传输请求。这个传输队列是原子的，这意味着在这个消息完成之前不会有其他消息占用总线。消息的执行总是按照FIFO的顺序。

下面看一看spi_transfer：

struct spi_transfer {  const void *tx_buf;  //要写入设备的数据(必须是dma_safe)，或者为NULL  void       *rx_buf;  //要读取的数据缓冲(必须是dma_safe)，或者为NULL  unsigned   len;      //tx和rx的大小(字节数),这里不是指它的和，而是各自的长度，他们总是相等的  dma_addr_t    tx_dma;   //如果spi_message.is_dma_mapped是真，这个是tx的dma地址  dma_addr_t rx_dma;   //如果spi_message.is_dma_mapped是真，这个是rx的dma地址  unsigned   cs_change:1;    //影响此次传输之后的片选，指示本次tranfer结束之后是否要重新片选并调用setup改变设置，这个标志可以较少系统开销u8      bits_per_word;  //每个字长的比特数，如果是0，使用默认值  u16        delay_usecs;    //此次传输结束和片选改变之间的延时，之后就会启动另一个传输或者结束整个消息  u32       speed_hz;       //通信时钟。如果是0，使用默认值  struct list_head transfer_list; //用来连接的双向链表节点  };