基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——SPI子系统解读(一)

xiaoxiao2021-02-28  93

本文将介绍SPI子系统。内核版本为2.6.30。如有错误欢迎指正。

预备知识要求:1.SPI总线

                       2. platfrom平台

                       3. sysfs子系统

                       4. 阅读过LDD3第3,5,6,7,9,10,11章的内容。

NOTE:如果没有看过LDD3的相关内容,直接看内核源码将非常吃力!!!

PC主机:Ubuntu 和 redhat 9.0

目标板:TQ2440开发板 cpu:s3c2440 Linux内核:2.6.30

0.引言

    本系列文章对linux设备模型中的SPI子系统进行讲解。SPI子系统的讲解将分为4个部分。

   第一部分,即本篇文章,将对SPI子系统整体进行描述,同时给出SPI的相关数据结构,最后描述SPI总线的注册。

   第二部分,该文将对SPI的主控制器(master)驱动进行描述。             基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——SPI子系统解读(二)

   第三部分,该文将对SPI设备驱动,也称protocol 驱动,进行讲解。基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——SPI子系统解读(三)

   第四部分,通过SPI设备驱动留给用户层的API,我们将从上到下描述数据是如何通过SPI的protocol 驱动,由bitbang中转,最后由master驱动将数据传输出去。

                    基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——SPI子系统解读(四)

1.SPI子系统综述

  SPI子系统从上到下分为:spi设备驱动层,核心层和master驱动层。其中master驱动抽象出spi控制器的相关操作,而spi设备驱动层抽象出了用户空间API。

  platform_device结构中描述了SPI控制器的相关资源,同时在板级信息中将会添加spi设备的相关信息。master驱动将以platform_driver形式体现出来,也就是说

在主控制器(master)和主控制器驱动将挂载到platform总线上。platform_driver的probe函数中将注册spi_master,同时将会获取在板级信息中添加的spi设备,将该

信息转换成spi_device,然后注册spi_device到spi总线上。spi_driver结构用于描述spi设备驱动,也将挂载到spi总线上。连同spi_driver一起注册的是字符设备,该

字符设备将提供5个API给用户空间。通过API,用户空间可以执行半双工读、半双工写和全双工读写。

2. SPI的相关数据结构

  这里将介绍内核所用到的关键数据结构,还有些结构将在用到时加以说明。

2.1 spi_master

   该结构用于描述SOC的SPI控制器,S3C2440共有两个SPI控制器。

[cpp]  view plain  copy /**   * struct spi_master - interface to SPI master controller   * @dev: device interface to this driver   * @bus_num: board-specific (and often SOC-specific) identifier for a   *  given SPI controller.   * @num_chipselect: chipselects are used to distinguish individual   *  SPI slaves, and are numbered from zero to num_chipselects.   *  each slave has a chipselect signal, but it's common that not   *  every chipselect is connected to a slave.   * @dma_alignment: SPI controller constraint on DMA buffers alignment.   * @setup: updates the device mode and clocking records used by a   *  device's SPI controller; protocol code may call this.  This   *  must fail if an unrecognized or unsupported mode is requested.   *  It's always safe to call this unless transfers are pending on   *  the device whose settings are being modified.   * @transfer: adds a message to the controller's transfer queue.   * @cleanup: frees controller-specific state   *   * Each SPI master controller can communicate with one or more @spi_device   * children.  These make a small bus, sharing MOSI, MISO and SCK signals   * but not chip select signals.  Each device may be configured to use a   * different clock rate, since those shared signals are ignored unless   * the chip is selected.   *   * The driver for an SPI controller manages access to those devices through   * a queue of spi_message transactions, copying data between CPU memory and   * an SPI slave device.  For each such message it queues, it calls the   * message's completion function when the transaction completes.   */   struct spi_master {       struct device   dev;          /* other than negative (== assign one dynamically), bus_num is fully       * board-specific.  usually that simplifies to being SOC-specific.       * example:  one SOC has three SPI controllers, numbered 0..2,       * and one board's schematics might show it using SPI-2.  software       * would normally use bus_num=2 for that controller.       */       s16         bus_num;          /* chipselects will be integral to many controllers; some others       * might use board-specific GPIOs.       */       u16         num_chipselect; //该值不能为0,否则会注册失败          /* some SPI controllers pose alignment requirements on DMAable       * buffers; let protocol drivers know about these requirements.       */       u16         dma_alignment;          /* Setup mode and clock, etc (spi driver may call many times).       *       * IMPORTANT:  this may be called when transfers to another       * device are active.  DO NOT UPDATE SHARED REGISTERS in ways       * which could break those transfers.       */       int         (*setup)(struct spi_device *spi);          /* bidirectional bulk transfers       *       * + The transfer() method may not sleep; its main role is       *   just to add the message to the queue.       * + For now there's no remove-from-queue operation, or       *   any other request management       * + To a given spi_device, message queueing is pure fifo       *       * + The master's main job is to process its message queue,       *   selecting a chip then transferring data       * + If there are multiple spi_device children, the i/o queue       *   arbitration algorithm is unspecified (round robin, fifo,       *   priority, reservations, preemption, etc)       *       * + Chipselect stays active during the entire message       *   (unless modified by spi_transfer.cs_change != 0).       * + The message transfers use clock and SPI mode parameters       *   previously established by setup() for this device       */       int         (*transfer)(struct spi_device *spi,                           struct spi_message *mesg);          /* called on release() to free memory provided by spi_master */       void            (*cleanup)(struct spi_device *spi);   };   2.2 spi_device

该结构用于描述SPI设备,也就是从设备的相关信息。

NOTE:SPI子系统只支持主模式,也就是说S3C2440的SPI只能工作在master模式,外围设备只能为slave模式。

[cpp]  view plain  copy /**   * struct spi_device - Master side proxy for an SPI slave device   * @dev: Driver model representation of the device.   * @master: SPI controller used with the device.   * @max_speed_hz: Maximum clock rate to be used with this chip   *  (on this board); may be changed by the device's driver.   *  The spi_transfer.speed_hz can override this for each transfer.   * @chip_select: Chipselect, distinguishing chips handled by @master.   * @mode: The spi mode defines how data is clocked out and in.   *  This may be changed by the device's driver.   *  The "active low" default for chipselect mode can be overridden   *  (by specifying SPI_CS_HIGH) as can the "MSB first" default for   *  each word in a transfer (by specifying SPI_LSB_FIRST).   * @bits_per_word: Data transfers involve one or more words; word sizes   *  like eight or 12 bits are common.  In-memory wordsizes are   *  powers of two bytes (e.g. 20 bit samples use 32 bits).   *  This may be changed by the device's driver, or left at the   *  default (0) indicating protocol words are eight bit bytes.   *  The spi_transfer.bits_per_word can override this for each transfer.   * @irq: Negative, or the number passed to request_irq() to receive   *  interrupts from this device.   * @controller_state: Controller's runtime state   * @controller_data: Board-specific definitions for controller, such as   *  FIFO initialization parameters; from board_info.controller_data   * @modalias: Name of the driver to use with this device, or an alias   *  for that name.  This appears in the sysfs "modalias" attribute   *  for driver coldplugging, and in uevents used for hotplugging   *   * A @spi_device is used to interchange data between an SPI slave   * (usually a discrete chip) and CPU memory.   *   * In @dev, the platform_data is used to hold information about this   * device that's meaningful to the device's protocol driver, but not   * to its controller.  One example might be an identifier for a chip   * variant with slightly different functionality; another might be   * information about how this particular board wires the chip's pins.   */   struct spi_device {       struct device       dev;       struct spi_master   *master;       u32         max_speed_hz;       u8          chip_select;       u8          mode;   #define SPI_CPHA    0x01            /* clock phase */   #define SPI_CPOL    0x02            /* clock polarity */   #define SPI_MODE_0  (0|0)           /* (original MicroWire) */   #define SPI_MODE_1  (0|SPI_CPHA)   #define SPI_MODE_2  (SPI_CPOL|0)   #define SPI_MODE_3  (SPI_CPOL|SPI_CPHA)   #define SPI_CS_HIGH 0x04            /* chipselect active high? */   #define SPI_LSB_FIRST   0x08            /* per-word bits-on-wire */   #define SPI_3WIRE   0x10            /* SI/SO signals shared */   #define SPI_LOOP    0x20            /* loopback mode */       u8          bits_per_word;       int         irq;       void            *controller_state;       void            *controller_data;       char            modalias[32];          /*       * 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       *  - ...       */   };   2.3 spi_board_info

   该结构也是对从设备的描述,只不过它是板级信息,最终该结构的所有信息将复制给spi_device。

[cpp]  view plain  copy  * INTERFACE between board init code and SPI infrastructure.    *    * No SPI driver ever sees these SPI device table segments, but    * it's how the SPI core (or adapters that get hotplugged) grows    * the driver model tree.    *    * As a rule, SPI devices can't be probed.  Instead, board init code    * provides a table listing the devices which are present, with enough    * information to bind and set up the device's driver.  There's basic    * support for nonstatic configurations too; enough to handle adding    * parport adapters, or microcontrollers acting as USB-to-SPI bridges.    */      /**   * struct spi_board_info - board-specific template for a SPI device   * @modalias: Initializes spi_device.modalias; identifies the driver.   * @platform_data: Initializes spi_device.platform_data; the particular   *  data stored there is driver-specific.   * @controller_data: Initializes spi_device.controller_data; some   *  controllers need hints about hardware setup, e.g. for DMA.   * @irq: Initializes spi_device.irq; depends on how the board is wired.   * @max_speed_hz: Initializes spi_device.max_speed_hz; based on limits   *  from the chip datasheet and board-specific signal quality issues.   * @bus_num: Identifies which spi_master parents the spi_device; unused   *  by spi_new_device(), and otherwise depends on board wiring.   * @chip_select: Initializes spi_device.chip_select; depends on how   *  the board is wired.   * @mode: Initializes spi_device.mode; based on the chip datasheet, board   *  wiring (some devices support both 3WIRE and standard modes), and   *  possibly presence of an inverter in the chipselect path.   *   * When adding new SPI devices to the device tree, these structures serve   * as a partial device template.  They hold information which can't always   * be determined by drivers.  Information that probe() can establish (such   * as the default transfer wordsize) is not included here.   *   * These structures are used in two places.  Their primary role is to   * be stored in tables of board-specific device descriptors, which are   * declared early in board initialization and then used (much later) to   * populate a controller's device tree after the that controller's driver   * initializes.  A secondary (and atypical) role is as a parameter to   * spi_new_device() call, which happens after those controller drivers   * are active in some dynamic board configuration models.   */   struct spi_board_info {       /* the device name and module name are coupled, like platform_bus;       * "modalias" is normally the driver name.       *       * platform_data goes to spi_device.dev.platform_data,       * controller_data goes to spi_device.controller_data,       * irq is copied too       */       char        modalias[32];       const void  *platform_data;       void        *controller_data;       int     irq;          /* slower signaling on noisy or low voltage boards */       u32     max_speed_hz;             /* bus_num is board specific and matches the bus_num of some       * spi_master that will probably be registered later.       *       * chip_select reflects how this chip is wired to that master;       * it's less than num_chipselect.       */       u16     bus_num;       u16     chip_select;          /* mode becomes spi_device.mode, and is essential for chips       * where the default of SPI_CS_HIGH = 0 is wrong.       */       u8      mode;          /* ... may need additional spi_device chip config data here.       * avoid stuff protocol drivers can set; but include stuff       * needed to behave without being bound to a driver:       *  - quirks like clock rate mattering when not selected       */   };  

2.4 spi_driver

    该结构用于描述SPI设备驱动。

[cpp]  view plain  copy 驱动核心将根据driver.name和spi_board_info 的modalias进行匹配,如过modalia和name相等,则绑定驱动程序和SPI设备。   /**   * struct spi_driver - Host side "protocol" driver   * @probe: Binds this driver to the spi device.  Drivers can verify   *  that the device is actually present, and may need to configure   *  characteristics (such as bits_per_word) which weren't needed for   *  the initial configuration done during system setup.   * @remove: Unbinds this driver from the spi device   * @shutdown: Standard shutdown callback used during system state   *  transitions such as powerdown/halt and kexec   * @suspend: Standard suspend callback used during system state transitions   * @resume: Standard resume callback used during system state transitions   * @driver: SPI device drivers should initialize the name and owner   *  field of this structure.   *   * This represents the kind of device driver that uses SPI messages to   * interact with the hardware at the other end of a SPI link.  It's called   * a "protocol" driver because it works through messages rather than talking   * directly to SPI hardware (which is what the underlying SPI controller   * driver does to pass those messages).  These protocols are defined in the   * specification for the device(s) supported by the driver.   *   * As a rule, those device protocols represent the lowest level interface   * supported by a driver, and it will support upper level interfaces too.   * Examples of such upper levels include frameworks like MTD, networking,   * MMC, RTC, filesystem character device nodes, and hardware monitoring.   */   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;   };   2.5 spi_transfer

  该数据结构是对一次完整的数据传输的描述。

[cpp]  view plain  copy <span style="font-size:12px;">/*   * I/O INTERFACE between SPI controller and protocol drivers   *   * Protocol drivers use a queue of spi_messages, each transferring data   * between the controller and memory buffers.   *   * The spi_messages themselves consist of a series of read+write transfer   * segments.  Those segments always read the same number of bits as they   * write; but one or the other is easily ignored by passing a null buffer   * pointer.  (This is unlike most types of I/O API, because SPI hardware   * is full duplex.)   *   * NOTE:  Allocation of spi_transfer and spi_message memory is entirely   * up to the protocol driver, which guarantees the integrity of both (as   * well as the data buffers) for as long as the message is queued.   */      /**   * struct spi_transfer - a read/write buffer pair   * @tx_buf: data to be written (dma-safe memory), or NULL   * @rx_buf: data to be read (dma-safe memory), or NULL   * @tx_dma: DMA address of tx_buf, if @spi_message.is_dma_mapped   * @rx_dma: DMA address of rx_buf, if @spi_message.is_dma_mapped   * @len: size of rx and tx buffers (in bytes)   * @speed_hz: Select a speed other than the device default for this   *      transfer. If 0 the default (from @spi_device) is used.   * @bits_per_word: select a bits_per_word other than the device default   *      for this transfer. If 0 the default (from @spi_device) is used.   * @cs_change: affects chipselect after this transfer completes   * @delay_usecs: microseconds to delay after this transfer before   *  (optionally) changing the chipselect status, then starting   *  the next transfer or completing this @spi_message.   * @transfer_list: transfers are sequenced through @spi_message.transfers   *   * SPI transfers always write the same number of bytes as they read.   * Protocol drivers should always provide @rx_buf and/or @tx_buf.   * In some cases, they may also want to provide DMA addresses for   * the data being transferred; that may reduce overhead, when the   * underlying driver uses dma.   *   * If the transmit buffer is null, zeroes will be shifted out   * while filling @rx_buf.  If the receive buffer is null, the data   * shifted in will be discarded.  Only "len" bytes shift out (or in).   * It's an error to try to shift out a partial word.  (For example, by   * shifting out three bytes with word size of sixteen or twenty bits;   * the former uses two bytes per word, the latter uses four bytes.)   *   * In-memory data values are always in native CPU byte order, translated   * from the wire byte order (big-endian except with SPI_LSB_FIRST).  So   * for example when bits_per_word is sixteen, buffers are 2N bytes long   * (@len = 2N) and hold N sixteen bit words in CPU byte order.   *   * When the word size of the SPI transfer is not a power-of-two multiple   * of eight bits, those in-memory words include extra bits.  In-memory   * words are always seen by protocol drivers as right-justified, so the   * undefined (rx) or unused (tx) bits are always the most significant bits.   *   * All SPI transfers start with the relevant chipselect active.  Normally   * it stays selected until after the last transfer in a message.  Drivers   * can affect the chipselect signal using cs_change.   *   * (i) If the transfer isn't the last one in the message, this flag is   * used to make the chipselect briefly go inactive in the middle of the   * message.  Toggling chipselect in this way may be needed to terminate   * a chip command, letting a single spi_message perform all of group of   * chip transactions together.   *   * (ii) When the transfer is the last one in the message, the chip may   * stay selected until the next transfer.  On multi-device SPI busses   * with nothing blocking messages going to other devices, this is just   * a performance hint; starting a message to another device deselects   * this one.  But in other cases, this can be used to ensure correctness.   * Some devices need protocol transactions to be built from a series of   * spi_message submissions, where the content of one message is determined   * by the results of previous messages and where the whole transaction   * ends when the chipselect goes intactive.   *   * The code that submits an spi_message (and its spi_transfers)   * to the lower layers is responsible for managing its memory.   * Zero-initialize every field you don't set up explicitly, to   * insulate against future API updates.  After you submit a message   * and its transfers, ignore them until its completion callback.   */   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;          unsigned    cs_change:1;       u8      bits_per_word;       u16     delay_usecs;       u32     speed_hz;          struct list_head transfer_list;   };</span>   2.6 spi_message

   该结构就是对多个spi_transfer的封装。

[cpp]  view plain  copy <span style="font-size:12px;">/**   * struct spi_message - one multi-segment SPI transaction   * @transfers: list of transfer segments in this transaction   * @spi: SPI device to which the transaction is queued   * @is_dma_mapped: if true, the caller provided both dma and cpu virtual   *  addresses for each transfer buffer   * @complete: called to report transaction completions   * @context: the argument to complete() when it's called   * @actual_length: the total number of bytes that were transferred in all   *  successful segments   * @status: zero for success, else negative errno   * @queue: for use by whichever driver currently owns the message   * @state: for use by whichever driver currently owns the message   *   * A @spi_message is used to execute an atomic sequence of data transfers,   * each represented by a struct spi_transfer.  The sequence is "atomic"   * in the sense that no other spi_message may use that SPI bus until that   * sequence completes.  On some systems, many such sequences can execute as   * as single programmed DMA transfer.  On all systems, these messages are   * queued, and might complete after transactions to other devices.  Messages   * sent to a given spi_device are alway executed in FIFO order.   *   * The code that submits an spi_message (and its spi_transfers)   * to the lower layers is responsible for managing its memory.   * Zero-initialize every field you don't set up explicitly, to   * insulate against future API updates.  After you submit a message   * and its transfers, ignore them until its completion callback.   */   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        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;   };</span>   2.7 spi_bitbang

[cpp]  view plain  copy <span style="font-size:12px;">struct spi_bitbang {       struct workqueue_struct *workqueue;       struct work_struct  work;          spinlock_t      lock;       struct list_head    queue;       u8          busy;       u8          use_dma;       u8          flags;      /* extra spi->mode support */          struct spi_master   *master;          /* setup_transfer() changes clock and/or wordsize to match settings       * for this transfer; zeroes restore defaults from spi_device.       */       int (*setup_transfer)(struct spi_device *spi,               struct spi_transfer *t);          void    (*chipselect)(struct spi_device *spi, int is_on);   #define BITBANG_CS_ACTIVE   1   /* normally nCS, active low */   #define BITBANG_CS_INACTIVE 0          /* txrx_bufs() may handle dma mapping for transfers that don't       * already have one (transfer.{tx,rx}_dma is zero), or use PIO       */       int (*txrx_bufs)(struct spi_device *spi, struct spi_transfer *t);          /* txrx_word[SPI_MODE_*]() just looks like a shift register */       u32 (*txrx_word[4])(struct spi_device *spi,               unsigned nsecs,               u32 word, u8 bits);   };</span>   3. 注册SPI总线

    下列函数位于drivers/spi/spi.c中。

[cpp]  view plain  copy 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,   };   EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_bus_type);      static struct class spi_master_class = {       .name        = "spi_master",       .owner        = THIS_MODULE,       .dev_release    = spi_master_release,   };      /* portable code must never pass more than 32 bytes */   #define    SPI_BUFSIZ    max(32,SMP_CACHE_BYTES)      static u8    *buf;      static int __init spi_init(void)   {       int status;          buf = kmalloc(SPI_BUFSIZ, GFP_KERNEL);       if (!buf) {           status = -ENOMEM;           goto err0;       }          status = bus_register(&spi_bus_type);       /*注册SPI总线*/       if (status < 0)           goto err1;          status = class_register(&spi_master_class);/*注册SPI类*/       if (status < 0)           goto err2;       return 0;      err2:       bus_unregister(&spi_bus_type);   err1:       kfree(buf);       buf = NULL;   err0:       return status;   }      /* board_info is normally registered in arch_initcall(),   * but even essential drivers wait till later   *   * REVISIT only boardinfo really needs static linking. the rest (device and   * driver registration) _could_ be dynamically linked (modular) ... costs   * include needing to have boardinfo data structures be much more public.   */   postcore_initcall(spi_init);  

    spi_init函数注册SPI总线以及SPI类到内核中。该函数在内核初始化的postcore_initcall阶段被调用。

    顺便看看下总线的匹配函数。

     下列函数位于drivers/spi/spi.c中。

[cpp]  view plain  copy /* modalias support makes "modprobe $MODALIAS" new-style hotplug work,   * and the sysfs version makes coldplug work too.   */      static int spi_match_device(struct device *dev, struct device_driver *drv)   {       const struct spi_device *spi = to_spi_device(dev);          return strcmp(spi->modalias, drv->name) == 0;   }      从这里我们可以看出,SPI设备和驱动的匹配是通过device的modalias字段和driver的name字段,这两个字段相等则绑定设备和驱动
转载请注明原文地址: https://www.6miu.com/read-64246.html

最新回复(0)