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SPI（Serial Peripheral Interface）作為一種常用的外設(shè)通信協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。在Linux中，也提供了完整的SPI驅(qū)動(dòng)支持，本文將結(jié)合實(shí)例詳解Linux下的SPI通信流程和實(shí)現(xiàn)方法。
一、硬件連接
在實(shí)現(xiàn)SPI通信前，需要先完成硬件的連接。在SPI通信中，分為主設(shè)備和從設(shè)備之分。主設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)控制時(shí)序，從設(shè)備則被動(dòng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在主設(shè)備和從設(shè)備之間，需要通過(guò)四根連接線(xiàn)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸，具體如下：
* MOSI(Master Output Slave Input)：主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入
* MISO(Master Input Slave Output)：主設(shè)備輸入，從設(shè)備輸出
* SCLK(Serial Clock)：由主設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，控制數(shù)據(jù)傳輸速度
* SS(Slave Select)：從設(shè)備選擇信號(hào)，用于選擇通信的從設(shè)備
在連接硬件時(shí)，需要將主設(shè)備的MOSI連接到從設(shè)備的MOSI，主設(shè)備的MISO連接到從設(shè)備的MISO，主設(shè)備的SCLK連接到從設(shè)備的SCLK，主設(shè)備的SS連接到從設(shè)備的SS。
二、SPI驅(qū)動(dòng)框架
Linux中的SPI驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)部分，一部分是核心部分，另一部分是SPI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)部分。
核心部分：
在核心部分中，主要包括SPI驅(qū)動(dòng)核心模塊（spi-core），負(fù)責(zé)管理SPI總線(xiàn)和SPI從設(shè)備的注冊(cè)和注銷(xiāo)以及SPI數(shù)據(jù)傳輸。
SPI從設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分：
SPI從設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分主要是根據(jù)硬件連接和核心的SPI驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行交互，負(fù)責(zé)向核心模塊注冊(cè)從設(shè)備并實(shí)現(xiàn)對(duì)從設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。
三、SPI總線(xiàn)注冊(cè)
在使用SPI接口進(jìn)行通信時(shí)，首先需要在Linux中注冊(cè)SPI總線(xiàn)。SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常存放于linux/drivers/spi目錄下，各個(gè)驅(qū)動(dòng)之間彼此獨(dú)立。有關(guān)每一個(gè)SPI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序需要負(fù)責(zé)向Linux kernel注冊(cè)一個(gè)spi_driver結(jié)構(gòu)體變量，以便在需要時(shí)調(diào)用這些函數(shù)。
struct spi_driver {
int (*probe)(struct spi_device *);//硬件連接時(shí)，初始化設(shè)備
int (*remove)(struct spi_device *);//撤銷(xiāo)設(shè)備時(shí)的回調(diào)函數(shù)
struct device_driver driver;
const struct spi_device_id *id_table;//注冊(cè)設(shè)備ID
};
– probe函數(shù)：在硬件設(shè)備匹配到驅(qū)動(dòng)時(shí)被調(diào)用，負(fù)責(zé)初始化設(shè)備。
– remove函數(shù)：在設(shè)備被撤銷(xiāo)時(shí)調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。
– id_table：存放設(shè)備ID的數(shù)組結(jié)構(gòu)，通過(guò)id_table可以判斷設(shè)備是否支持當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)程序。
四、SPI設(shè)備注冊(cè)
在SPI總線(xiàn)完成注冊(cè)后，需要在Linux中注冊(cè)每一個(gè)SPI從設(shè)備。SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常存放于linux/drivers/spi目錄下，各個(gè)驅(qū)動(dòng)之間彼此獨(dú)立。而每一個(gè)SPI從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也需要負(fù)責(zé)向Linux kernel注冊(cè)一個(gè)spi_driver結(jié)構(gòu)體變量。
設(shè)備注冊(cè)分兩個(gè)步驟：
1. 生產(chǎn)spi_device
在Linux中為每一個(gè)從設(shè)備分配一個(gè)spi_device結(jié)構(gòu)體，用于存儲(chǔ)spi_driver和硬件相關(guān)的信息。在使用spi_register_device函數(shù)之前，需要先創(chuàng)建spi_device結(jié)構(gòu)體并初始化相關(guān)的成員參數(shù)。
static struct spi_device *spi_validate_device(struct spi_master *master,
struct spi_device *spi)
{
//kzalloc 分配一個(gè) spi_device 個(gè)大小的空間到進(jìn)行初始化
spi = kzalloc(sizeof(struct spi_device), GFP_KERNEL);
//初始化spi_device的成員變量
spi->master = master;
spi->dev.parent = &master->dev;
spi->dev.driver = &spi->driver;
spi->max_speed_hz = 500000;
spi->mode = SPI_MODE_0;
spi->bits_per_word = 8;
return spi;
}
2. 注冊(cè)spi_device
調(diào)用spi_register_device函數(shù)，將從設(shè)備注冊(cè)到核心SPI總線(xiàn)。spi_register_device函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)：spi_device和spi_driver。
int spi_register_device(struct spi_device *spi)
{
struct spi_master *master = spi->master;
struct spi_drv_data *drv_data = master->drv_data;
spi_setup(spi);
spin_lock(&drv_data->device_lock);
list_add(&spi->device_entry, &drv_data->device_list);
spin_unlock(&drv_data->device_lock);
spi_dev_put(spi);
return 0;
}
五、數(shù)據(jù)傳輸
在設(shè)備注冊(cè)完成后，即可進(jìn)行SPI的讀寫(xiě)操作。SPI的數(shù)據(jù)傳輸操作分為兩種：全雙工（full duplex）和半雙工（half duplex）。
1. 全雙工數(shù)據(jù)傳輸
主從設(shè)備同步進(jìn)行全雙工的SPI通信。只通過(guò)一個(gè)clock線(xiàn)控制數(shù)據(jù)的傳輸。主設(shè)備在源碼中對(duì)全雙工SPI傳輸方式的設(shè)備進(jìn)行傳輸時(shí)，首先通過(guò)spi_transfer函數(shù)對(duì)一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后通過(guò)spi_sync函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和同步等待操作。
struct spi_transfer {
char *tx_buf;//發(fā)送緩存區(qū)
char *rx_buf;//接收緩存區(qū)
unsigned len;//傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
unsigned speed_hz;//傳輸速度
unsigned bits_per_word;//每個(gè)字的位數(shù)
u16 delay_usecs;//傳輸間隔
unsigned cs_change;//傳輸開(kāi)始之前，先將C進(jìn)行操作
void *tx_dma;//發(fā)送緩存區(qū)DMA
void *rx_dma;//接收緩存區(qū)DMA
void (*rx_sg)();//scatter-gather 變量的內(nèi)核提供者
void (*tx_sg)();//scatter-gather 變量的內(nèi)核提供者
};
int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *msg)
{
mutex_lock(&spi->master->bus_lock);
status = _spi_sync(spi, msg, spi_transfer);
mutex_unlock(&spi->master->bus_lock);
}
2. 半雙工數(shù)據(jù)傳輸
半雙工傳輸是主從設(shè)備順序半雙工傳輸，一次僅僅進(jìn)行發(fā)送和接收其中的一個(gè)操作。主設(shè)備在源碼中對(duì)半雙工SPI傳輸方式的設(shè)備進(jìn)行傳輸時(shí)，分別將SPITRANSF_WRITE和SPITRANSFER_READ兩個(gè)參數(shù)傳遞給spi_message，分別進(jìn)行發(fā)送和接收的操作。
struct spi_message {
struct list_head transfer_list;
unsigned is_dma_mapped:1; // DMA mapping related
bool is_poll:1;
};
int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *msg)
{
// …
status = _spi_sync(spi, msg, spi_transfer);
// …
}
六、
本文結(jié)合實(shí)例詳解了Linux下的SPI通信流程和實(shí)現(xiàn)方法，包括硬件連接、SPI驅(qū)動(dòng)框架、SPI總線(xiàn)注冊(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)方面。希望本文能為L(zhǎng)inux應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供借鑒和參考，方便大家在嵌入式系統(tǒng)中使用SPI進(jìn)行通信。
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