SPI驱动之南瑞NRSEC3000加密芯片驱动开发总结

绪：

    这是笔者第一次做SPI接口的驱动，由于对SPI接口的不熟悉，再加上遇到主从设备的SPI接口有一定的差异，导致被坑了很久。当然，这次驱动开发过程中不仅在技术上有所收获，更重要的收获是，懂得了在驱动开发中遇到问题后怎样有效的处理。下面将从开发流程、配置SPI控制器相关须知、用户空间SPI驱动、Linux设备模型与platform总线（虚拟“平台”总线）、Linux SPI驱动框架5方面做总结。如果不使用用户空间驱动的方式，只需了解前两方面即可。由于时间仓促加之本人水平有限，文中可能存在不妥之处，还请广大读者朋友与之交流指正。

时间地点：2017.7.7于成都

邮箱：[e-mail]

 

一、开发流程

1.确认从设备完好。如果有测试程序能测试从设备相应功能，是最好的确认方法，不仅能测试设备是否完好，还能得到设备工作数据，比如获取加密芯片的版本号，得到的数据对以后的开发有很重要的对比意义。

2.确认主设备提供给从设备的供电是否正常。首先测量供电电压是否是从设备所接受范围（过低工作可能不正常，过高可能会烧坏从设备）

3.确认主设备SPI接口引脚是否正常。要先把复用功能的IO引脚功能选择成SPI（可以自己配置寄存器选择复用功能，但推荐通过板级代码配置）。将主从设备进行连接，如果有现成的SPI驱动，可以直接进行测试主设备SPI引脚是否有波形输出,确认输出是否正常。如果没有现成驱动，可以选择用户空间驱动写一个测试程序（其实一般内核都提供有各种驱动的测试程序，在内核目录的Documentation目录下）。可以用测试程序随意发些数据，用示波器看看各引脚有没有相应的波形。

4.选择用户空间驱动或者内核空间驱动（自己配置寄存器）进行开发。

二、配置SPI控制器相关须知

    1.SPI（SerialPeripheral Interface）接口特点：SPI首先由Motorola公司提出并使用，现在标准的SPI，四线式，全双工，同步的串行通信总线。标准的SPI包含SSn（片选线）、SCLK（时钟线）、MOSI（主出从入线）、MISO（主入从出线）四根线。其中名称在不同的地方可以不同，如SSn可以叫CS、CSB等，MOSI可以叫SDO ，MISO可以叫SDI。在有些实际应用中可能将标准的SPI进行简化或者扩展，例如如果不需要使用片选可以去掉，不需要在同一个时钟周期内进行发送和接收的情况可以使用半双工，需要将位宽从标准的1位扩展到多位可以采用并行（就需要更多的数据线）。

    2.SPI接口协议须知：①SPI总线属于点对点传输，主设备通过片选后无需知道从设备地址。②通信前需要使用SSn（片选）选择从设备，SSn线可以有多根，低电平有效并表示选择该从设备。③配置从设备所支持的 SPI总线最高时钟频率（决定了SCK的频率）以及外设的CPHA（极性）、CPOL（相位） 模式，这决定了数据与时钟之间的偏移、采样的时刻以及触发的边沿是上升沿还是下降沿。如果 CPOL= 0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL= 1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。如果 CPHA= 0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA= 1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。

    3.时序分析：SPI时序如图2-1所示。阅读从设备需要的时序，可以了解从设备工作所需要的电信号条件，特别是设备工作不正常而调试时，时序输出是否符合从设备需求，是评判主设备SPI寄存器配置是否正确的唯一标准。

图2-1 SPI总线时序

4.本实例SPI时序分析与拓展：①首先提一个问题：如果将MOSI与MISO短接能否接收到数据呢？如果接收和发送的采样时间节点一致，且SPI为全双工工作模式，主设备应该能收到自己发送的数据。但如果像IMX28的SPI为半双工，这时我们来分析一下时序，当在发送数据时钟时，将FIFO的数据推向MOSI->MISO->FIFO，当接收数据时钟时，MISO线上并没有数据到来，一直被拉低，传入FIFO的数据就为0x0。②IMX28的SPI为半双工，而NRSEC3000加密芯片为全双工，如果不做分析直接安加密芯片的交互过程会发生什么呢？如图2-2是获取版本号的交互过程，其中接收数据的交互中，要求接收数据时发生aa，如果是全双工的SPI当然没问题，但最坑人的地方就是这里啦！按照IMX28的半双工时序，发送和接收是不同的两个时钟，如果你发一个aa（这时会产生一个字节的时钟，实际上从设备用这个时钟在回主设备数据）主设备发送aa的同时，从设备->MISO->FIFO,然后接收一个字节数据（这时又会产生一个字节的时钟），从设备->MISO->FIFO->DATA，这样读到的数据寄存器中的数据为本次从设备发送那个字节，虽然上一次发送的那个字节可能还在FIFO中但并未读到，循环这样，就会发现读到的数据是跳动的，比如本来读到的数据应该时12345678…，但却读到1357…（也可能是2468…或者357…等等）。③IMX28的SPI为半双工，而NRSEC3000加密芯片为全双工，这种情况该怎么办？其实SPI总线本质上都是全双工，IMX28考虑到许多实际应用中都是用的半双工逻辑，也就把SPI控制器做成了半双工逻辑（全双工SPI控制器中用了TxDATA（发送数据寄存器）和RxDATA（接收数据寄存器）两个数据寄存器，且包含TxFIFO和RxFIFO两个缓冲队列，而半双工的SPI控制器至少就节约了一个数据寄存器和一个FIFO队列，而只包含DATA（数据寄存器，发送和接收共用，发送时钟周期就为逻辑上的发送数据寄存器，否则为逻辑上的接收数据寄存器）和FIFO（发送和接收共用））做成了半双工SPI虽然节约了寄存器和FIFO，如果从设备也是半双工逻辑还清晰了时序逻辑，但在本例这种情况下，就得注意了，否则要被坑啦！主设备做成了半双工SPI，首先要确定从设备是否属于半双工的逻辑（虽然IMX28芯片手册说大多应用都是半双工逻辑，但也得确认一下），怎么确认逻辑上是否属于半双工通信呢？图2-3是加密芯片一个功能要求数据交互的例子，图里在大多数交互里发送时不需要接收，接收时不需要发送（这就说明逻辑上很可能就是半双工），虽然在接受ba和SW值时要求发送aa,但实际上aa就是一个接收标志，从设备接收并处理到接收标志就会开始发送数据，这时主设备就只管接收数据即可。所以实际上从设备为接收到aa这个接收标志时，并不会发送数据，这说明逻辑上确实是半双工的。图2-2中接收LEN和数据时实际上并不需要发送aa，也说明逻辑上是半双工的。按分析出来半双工逻辑进行交互即可成功地驱动从设备。

图2-2 加密芯片获取版本号交互过程

图2-3 加密芯片导入SM2私匙交互过程

 

三、用户空间SPI驱动

    入门用户空间驱动最快且有效的方法，是查看内核的测试程序。大多情况下用户不需要了解整个驱动框架，只需要用测试程序中用到的接口即可。以SPI用户空间驱动开发为例：

1．Open()函数打开驱动设备。

2．看看有哪些IOCTL命令，用ioctl（）函数执行命令，SPI的命令如下：

SPI_IOC_RD_MODE：读取spi_device的mode。
SPI_IOC_RD_LSB_FIRST：如果是SPI_LSB_FIRST的方式则返回1。
SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD：读取spi_device的bits_per_word.
SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ:读取spi_device的max_speed_hz.

SPI_IOC_WR_MODE:设置spi_device的mode，并调用spi_setup立即使设置生效。
SPI_IOC_WR_LSB_FIRST：设置spi使用SPI_LSB_FIRST的传输模式。立即生效。
SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD：读取字长。
SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ：设置时钟速率。
SPI_IOC_MESSAGE：这个命令用来进行复杂的通信。参数涉及到一个结构体。各个成员的意义与spi_transfer一致。

3. 需要命令中有不理解的结构体参数，可以上网查阅，也可以看内核的测试程序，或者直接看内核驱动源码。

四、Linux设备模型与platform总线（虚拟“平台”总线）

    Linux内核将设备所具有的共同属性进行了抽象，并在内核中实现这些共同的属性，而向上层提供一般性的接口，这不仅简化了编程，还实现了统一化。

在Linux设备模型中，所有的设备都是挂在总线下的：如挂在对应的PCI、USB、IIC、SPI总线下；但有的设备直接挂在了SoC内存空间，如RTC、看门狗等，这就有了platform总线（虚拟“平台”总线），PCI、USB、IIC、SPI也可以当作platform总线从而进行了统一化。

    一般的Linux设备模型主要涉及bus_type（总线）、device（设备）、device_driver（设备驱动），而platform机制将一般的设备模型又进行了封装（优化），演变出了platform_bus_type（内核用bus_type类型实例化的）、platform_device（包含一个device类型字段）、platform_driver（包含一个device_driver类型字段）。platform_device相对于device主要多了resource字段（该字段可以提供设备的寄存器起始地址），这使得主板相关的内容和驱动进行了分离，具有更好的可扩展性和跨平台性。 

五、Linux SPI驱动框架

    一般我们都不需要知道Linux SPI驱动框架的细节，但了解它也有很多好处，比如当内核的SPI驱动设备没有生成时，可以做相应的修改。要生成SPI驱动设备和下面一些代码有关系：

1.  首先要在板级目录（IMX28的板级代码目录为：arch\arm\mach-mx28）的mx28evk.c文件中注册spi_board_info，其中的名称需要和外设驱动（spidev.c）中的设备名称相同。

2.  在板级目录的device.c文件中要有主机设备的信息，这是一个platform_device的设备信息，其中，名称和id字段需要分别和主机驱动（drivers\spi\spi_mxs.c）的名称和bus进行匹配，名称一致且bus=id+1匹配成功，resource字段指定SPI寄存器起始地址。

Linux的SPI子系统采用主机驱动和外设驱动分离的思想，首先主机SPI控制器是一种平台设备，因此它以platform的方式注册进内核，外设的信息是以boardinfo形式静态定义的，在创建spi_master时，会根据外设的bus_num和主机的bus_num是否相等，来选择是否将该外设挂接在该SPI主控制器下，大体的系统框架可参考图5-1（图中的①主机驱动是指板级SPI控制器驱动层，②外设驱动是指通用SPI驱动代码层）。

Linux SPI驱动框架代码主要分为两层：

3.  1.板级SPI控制器相关驱动代码层（如IMX28的文件是drivers\spi\spi_mxs.c）。该层用platform_driver实例化一个mxs_spi_driver，通过扫描arch\arm\mach-mx28\device.c文件用platform_device实例化的*pdev进行匹配，匹配成功后内核会实例化和注册一个spi_master（表示一个SPI控制器设备）。

4.  2.通用SPI驱动代码层（对应文件drivers\spi\spidev.c）。这一层将SPI驱动进行抽象，提供与平台无关的SPI驱动接口。该层用spi_driver实例化一个spidev_spi_driver，通过扫描arch\arm\mach-mx28\mx28evk.c文件中注册的spi_board_info进行匹配，如果匹配成功就会在文件系统/dev目录下生成相应的设备文件（设备名就为spidev_spi_driver中提供的名称加总线和片选信息，如spidev1.0,spi1总线，片选0）。

Linux SPI驱动通过分成板级驱动层和通用抽象层，将SPI总线业务和平台SPI控制器进行了彻底的分离，使得SPI用户空间驱动只需要了解通用抽象层提供的接口（spidev.c提供的IOCTL命令）即可驱动SPI外设，而无需知道寄存器是如何操作的。

图5-1 Linux SPI驱动框架

注：讲解Linux SPI驱动框架一篇不错的博客地址：http://blog.csdn.net/vanbreaker/article/details/7733476