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SPI基础

SPI基础知识#

硬件连接：

SCK：时钟线

DO(MOSI)：数据输出

DI(MISO)：数据输入

CSx：片选信号

示例如下：在每一个时钟周期传输数据

问题：

SCK的初始电平？ CPOL 极性

SCK的第1 or 2个边沿传输数据？ CPHA 相位

CPOLCPHA模式含义
000SPI CLK初始电平为低电平，在第一个时钟沿采样数据
011SPI CLK初始电平为低电平，在第二个时钟沿采样数据
102SPI CLK初始电平为高电平，在第一个时钟沿采样数据
113SPI CLK初始电平为高电平，在第二个时钟沿采样数据

我们常用的是模式0和模式3，因为它们都是在上升沿采样数据，不用去在乎时钟的初始电平是什么，只要在上升沿采集数据就行。

SPI控制器内部框图：

在控制寄存器里可以设置极性和相位；状态寄存器可以分辨数据是否发送完成，或使能中断等等

波特率寄存器，设置时钟频率；数据寄存器，把要发送的数据写入数据寄存器即可

SPI控制器有驱动程序，提供SPI的传输能力。

SPI设备也有自己的驱动程序，提供SPI设备的访问能力：

  • 它知道怎么访问这个设备，它知道这个设备的数据含义是什么
  • 它会调用SPI控制器的函数来收发数据。

内核SPI设备驱动：

SPI数据结构#

SPI控制器#

Linux中使用spi_master结构体描述SPI控制器，里面最重要的成员就是transfer函数指针：

struct spi_master {
struct device dev;
struct list_head list;
s16 bus_num;
......
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);

SPI设备#

Linux中使用spi_device结构体描述SPI设备，里面记录有设备的片选引脚、频率、挂在哪个SPI控制器下面：

struct spi_device {
struct device dev;
struct spi_master *master;
u32 max_speed_hz;
u8 chip_select;
u8 bits_per_word;
u16 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 */
#define SPI_NO_CS 0x40 /* 1 dev/bus, no chipselect */
#define SPI_READY 0x80 /* slave pulls low to pause */
#define SPI_TX_DUAL 0x100 /* transmit with 2 wires */
#define SPI_TX_QUAD 0x200 /* transmit with 4 wires */
#define SPI_RX_DUAL 0x400 /* receive with 2 wires */
#define SPI_RX_QUAD 0x800 /* receive with 4 wires */
int irq;
void *controller_state;
void *controller_data;
char modalias[SPI_NAME_SIZE];
int cs_gpio; /* chip select gpio */
/* the statistics */
struct spi_statistics statistics;
/*
* 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
* - ...
*/
};

SPI设备驱动#

Linux中使用spi_driver结构体描述SPI设备驱动：

struct spi_driver {
const struct spi_device_id *id_table;
int (*probe)(struct spi_device *spi);
int (*remove)(struct spi_device *spi);
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
struct device_driver driver;
};

SPI驱动框架#

09_spi_drv_frame

SPI控制器的驱动程序基于"平台总线设备驱动"模型来实现：

  • 在设备树里描述SPI控制器的硬件信息，在设备树子节点里描述挂在下面的SPI设备的信息
  • 在platform_driver中提供一个probe函数
    • 它会注册一个spi_master
    • 还会解析设备树子节点，创建spi_device结构体

跟"平台总线设备驱动模型"类似，Linux中也有一个"SPI总线设备驱动模型"：

  • 左边是spi_driver，使用C文件实现，里面有id_table表示能支持哪些SPI设备，有probe函数
  • 右边是spi_device，用来描述SPI设备，比如它的片选引脚、频率
    • 可以来自设备树：比如由SPI控制器驱动程序解析设备树后创建、注册spi_device
    • 可以来自C文件：比如使用spi_register_board_info创建、注册spi_device

在I2C设备模型中，我们直接使用了I2C总线设备模型，为什么？

static const struct of_device_id myi2c_dt_match[] = {
{ .compatible = "100ask,i2cdev" },
{},
};
static const struct i2c_device_id i2c_drv_id[] = {
{"xxxyyy", 0},
{},
};
static struct i2c_driver my_i2c_driver = {
.driver = {
.name = "100ask_i2c_drv",
.owner = THIS_MODULE,
.of_match_table = myi2c_dt_match,
},
.probe = i2c_drv_probe,
.remove = i2c_drv_remove,
.id_table = i2c_drv_id,
};
&i2c1 {
clock-frequency = <100000>;
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
status = "okay";
at24c02{
compatible = "100ask,i2cdev";
reg = <0x50>;
};
};

SPI设备树的处理过程#

设备树示例：

spi@f00 {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <0>;
compatible = "fsl,mpc5200b-spi","fsl,mpc5200-spi";
reg = <0xf00 0x20>;
interrupts = <2 13 0 2 14 0>;
interrupt-parent = <&mpc5200_pic>;
cs-gpios = <&gpio1 0 0>, <&gpio1 1 0>, <&gpio1 2 0>;
ethernet-switch@0 {
compatible = "micrel,ks8995m";
spi-max-frequency = <1000000>;
reg = <0>;
};
codec@1 {
compatible = "ti,tlv320aic26";
spi-max-frequency = <100000>;
reg = <1>;
};
};

spi@f00表示一个spi_master

#address-cells 表示描述地址的cells数量；#size-cells 表示地址长度

compatible = "fsl,mpc5200b-spi","fsl,mpc5200-spi";对应一个spi_master driver驱动程序

cs-gpios = <&gpio1 0 0>, <&gpio1 1 0>, <&gpio1 2 0>;表示片选引脚，一一对应

ethernet-switch@0和codec@1是两个spi子节点，分别对应一个SPI设备，这个SPI设备连接在该SPI Master下面

子节点的属性：

前三个属性是必须的，其余属性是可选的空属性，需要时直接写上即可，不写默认为0，写了为1，如spi-cpol;

1.上述的SPI节点会在platform_driver中，即spi_master驱动

  • 构造成一个spi_master

  • 解析子节点，构造spi_device

spi_device结构体：

struct spi_device {
struct device dev;
struct spi_master *master;
u32 max_speed_hz;
u8 chip_select;
u8 bits_per_word;
u16 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 */
#define SPI_NO_CS 0x40 /* 1 dev/bus, no chipselect */
#define SPI_READY 0x80 /* slave pulls low to pause */
#define SPI_TX_DUAL 0x100 /* transmit with 2 wires */
#define SPI_TX_QUAD 0x200 /* transmit with 4 wires */
#define SPI_RX_DUAL 0x400 /* receive with 2 wires */
#define SPI_RX_QUAD 0x800 /* receive with 4 wires */
int irq;
void *controller_state;
void *controller_data;
char modalias[SPI_NAME_SIZE];
int cs_gpio; /* chip select gpio */
/* the statistics */
struct spi_statistics statistics;
/*
* 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
* - ...
*/
};

各个成员含义如下：

  • max_speed_hz：该设备能支持的SPI时钟最大值
  • chip_select：是这个spi_master下的第几个设备
    • 在spi_master中有一个cs_gpios数组，里面存放有下面各个spi设备的片选引脚
    • spi_device的片选引脚就是：cs_gpios[spi_device.chip_select]
  • cs_gpio：这是可选项，也可以把spi_device的片选引脚记录在这里
  • bits_per_word：每个基本的SPI传输涉及多少位（不是来自于设备树，来自应用程序，传输的时候可以设置它）
    • word：我们使用SPI控制器时，一般是往某个寄存器里写入数据，SPI控制器就会把这些数据一位一位地发送出去
    • 一个寄存器是32位的，被称为一个word(有时候也称为double word)
    • 这个寄存器里多少位会被发送出去？使用bits_per_word来表示
    • 扩展：bits_per_word是可以大于32的，也就是每次SPI传输可能会发送多于32位的数据，这适用于DMA突发传输
  • mode：含义广泛，看看结构体里那些宏
    • SPI_CPHA：在第1个周期采样，在第2个周期采样？
    • SPI_CPOL：平时时钟极性
      • SPI_CPHA和SPI_CPOL组合起来就可以得到4种模式
      • SPI_MODE_0：平时SCK为低(SPI_CPOL为0)，在第1个周期采样(SPI_CPHA为0)
      • SPI_MODE_1：平时SCK为低(SPI_CPOL为0)，在第2个周期采样(SPI_CPHA为1)
      • SPI_MODE_2：平时SCK为高(SPI_CPOL为1)，在第1个周期采样(SPI_CPHA为0)
      • SPI_MODE_3：平时SCK为高(SPI_CPOL为1)，在第2个周期采样(SPI_CPHA为1)
    • SPI_CS_HIGH：一般来说片选引脚时低电平有效，SPI_CS_HIGH表示高电平有效
    • SPI_LSB_FIRST：
      • 一般来说先传输MSB(最高位)，SPI_LSB_FIRST表示先传LSB(最低位)；
      • 很多SPI控制器并不支持SPI_LSB_FIRST
    • SPI_3WIRE：SO、SI共用一条线
    • SPI_LOOP：回环模式，就是SO、SI连接在一起
    • SPI_NO_CS：只有一个SPI设备，没有片选信号，也不需要片选信号
    • SPI_READY：SPI从设备可以拉低信号，表示暂停、表示未就绪
    • SPI_TX_DUAL：发送数据时有2条信号线
    • SPI_TX_QUAD：发送数据时有4条信号线
    • SPI_RX_DUAL：接收数据时有2条信号线
    • SPI_RX_QUAD：接收数据时有4条信号线

处理过程：

Linux内核drivers\spi\spi.c的

22_porcess_spi_devicetree

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