SPI 使用

SPI是一种高速的,全双工,同步串行通信接口,用于连接微控制器、传感器、存储设备等,本文以指纹识别模块为例简单介绍SPI使用。

SPI工作方式

SPI以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,分别是:

CS		片选信号
SCLK		时钟信号
MOSI		主设备数据输出、从设备数据输入
MISO		主设备数据输入,从设备数据输出

Linux内核用CPOL和CPHA的组合来表示当前SPI的四种工作模式:

CPOL=0,CPHA=0		SPI_MODE_0
CPOL=0,CPHA=1		SPI_MODE_1
CPOL=1,CPHA=0		SPI_MODE_2
CPOL=1,CPHA=1		SPI_MODE_3

CPOL:表示时钟信号的初始电平的状态,0为低电平,1为高电平。CPHA:表示在哪个时钟沿采样,0为第一个时钟沿采样,1为第二个时钟沿采样。SPI的四种工作模式波形图如下:

_images/SPI_work.jpg

在内核添加自己的驱动文件

在内核源码目录kernel/drivers/spi/中创建新的驱动文件,如:spi-rockchip-firefly.c 在驱动文件所在目录下的Kconfig文件添加对应的驱动文件配置,如:

@@ -525,6 +525,10 @@ config SPI_ROCKCHIP_TEST
       bool "ROCKCHIP spi test code"
       depends on SPI_ROCKCHIP

+config SPI_ROCKCHIP_FIREFLY
+       bool "ROCKCHIP spi firefly code"
+       depends on SPI_ROCKCHIP
+
#
# There are lots of SPI device types, with sensors and memory
# being probably the most widely used ones.

在驱动文件所在目录下的Makefile文件添加对应的驱动文件名,如:

+obj-$(CONFIG_SPI_ROCKCHIP_FIREFLY) += spi-rockchip-firefly.o

用make menuconfig在内核选项中选中所添加的驱动文件,如:

There is no help available for this option.                                                                                             
│ Symbol: SPI_ROCKCHIP_FIREFLY [=y]                                                                                                       
│ Type  : boolean                                                                                                                         
│ Prompt: ROCKCHIP spi firefly code                                                                                                                
│   Location:                                                                                                                             
│     -> Device Drivers                                                                                                                   
│       -> SPI support (SPI [=y])                                                                                                         
│         -> ROCKCHIP SPI controller core support (SPI_ROCKCHIP_CORE [=y])                                                                
│           -> ROCKCHIP SPI interface driver (SPI_ROCKCHIP [=y])                                                                          
│   Defined at drivers/spi/Kconfig:528                                                                                                    
│   Depends on: SPI [=y] && SPI_MASTER [=y] && SPI_ROCKCHIP [=y]

定义和注册SPI设备

在DTS中添加SPI驱动结点描述,如下所示: kernel/arch/arm/boot/dts/aio-3128c.dts

&spi0 {
     status = "okay";                                                                                                    
     max-freq = <24000000>;
     spidev@00 {                                                                                                         
         compatible = "rockchip,spi_firefly";
         reg = <0x00>;
         spi-max-frequency = <14000000>;
         spi-cpha = <1>;
         //spi-cpol = <1>;
     };
};
  • 属性:
    • status:如果要启用SPI,则设为okay,如不启用,设为disable。
    • spidev@00:由于本例子使用的是SPI0,且使用CS0,故此处设为00,如果使用CS1,则设为01。
    • compatible:这里的属性必须与驱动中的结构体:of_device_id 中的成员compatible 保持一致。
    • reg:此处与spidev@00保持一致,本例设为:0x00;
    • spi-max-frequency:此处设置spi使用的最高频率。
    • spi-cpha,spi-cpol:SPI的工作模式在此设置,本例所用的模块SPI工作模式为 SPI_MODE_1,故设:spi-cpha = <1>,如果您所用设备工作模式为SPI_MODE0,则需在此把这两个注释掉,如果用SPI_MODE3,则设:spi-cpha = <1>;spi-cpol = <1>。

定义和注册SPI驱动

定义SPI驱动

在定义 SPI 驱动之前,用户首先要定义变量 of_device_id 。 of_device_id 用于在驱动中调用dts文件中定义的设备信息,其定义如下所示:

static const struct of_device_id spidev_dt_ids[] = {                                                                                       
    { .compatible = "rockchip,spi_firefly" },
    {},
};

此处的compatible与DTS文件中的保持一致。 定义spi_driver如下所示:

static struct spi_driver spidev_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = "silead_fp",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = of_match_ptr(spidev_dt_ids),
    },
    .probe = spi_gsl_probe,                                                                                                     
    .remove = spi_gsl_remove,
};

注册SPI驱动

在初始化函数static int __init spidev_init(void)中创建一个字符设备:

alloc_chrdev_region(&devno, 0,255, "sileadfp");

向内核添加该设备:

spidev_major = MAJOR(devno);                                                                                                        
cdev_init(&spicdev, &spidev_fops);
spicdev.owner = THIS_MODULE;
status = cdev_add(&spicdev,MKDEV(spidev_major, 0),N_SPI_MINORS);

创建设备类:

class_create(THIS_MODULE, "spidev");

向内核注册SPI驱动:

spi_register_driver(&spidev_spi_driver);

如果内核启动时匹配成功,则调用该驱动的probe函数。 probe函数如下所示:

static int spi_gsl_probe(struct spi_device *spi)
{
    struct spidev_data	*spidev;
    int					status;
    unsigned long		minor;
    struct gsl_fp_data  *fp_data;

    printk("===============spi_gsl_probe ==============\n");
    if(!spi)	
    	return -ENOMEM;

    /* Allocate driver data */
    spidev = kzalloc(sizeof(*spidev), GFP_KERNEL);
    if (!spidev)
    	return -ENOMEM;
    	
    /* Initialize the driver data */
    spidev->spi = spi;
    spin_lock_init(&spidev->spi_lock);//初始化自旋锁
    mutex_init(&spidev->buf_lock);//初始化互斥锁
    INIT_LIST_HEAD(&spidev->device_entry);//初始化设备链表

    //init fp_data
    fp_data = kzalloc(sizeof(struct gsl_fp_data), GFP_KERNEL);
    if(fp_data == NULL){
    	status = -ENOMEM;
    	return status;
    }
    //set fp_data struct value
    fp_data->spidev = spidev;

    mutex_lock(&device_list_lock);//上互斥锁
    minor = find_first_zero_bit(minors, N_SPI_MINORS);//在内存区中查找第一个值为0的位
    if (minor < N_SPI_MINORS) {
    	struct device *dev;
    	spidev->devt = MKDEV(spidev_major, minor);
    	dev = device_create(spidev_class, &spi->dev, spidev->devt, spidev, "silead_fp_dev");创建/dev/下设备结点
    	status = IS_ERR(dev) ? PTR_ERR(dev) : 0;
    } else {
    	dev_dbg(&spi->dev, "no minor number available!\n");
    	status = -ENODEV;
    }
    if (status == 0) {
    	set_bit(minor, minors);
    	list_add(&spidev->device_entry, &device_list);//添加进设备链表
    }
    mutex_unlock(&device_list_lock);//解互斥锁
    if (status == 0)
    	spi_set_drvdata(spi, spidev);
    else
    	kfree(spidev);

    printk("%s:name=%s,bus_num=%d,cs=%d,mode=%d,speed=%d\n",__func__,spi->modalias, spi->master->bus_num, spi->chip_select, spi->mode, 
    spi->max_speed_hz);//打印SPI信息
    return status;
}

如果注册SPI驱动成功,你可以在/dev/目录下面看你到注册的驱动名称,可以在sys/class/下面看到你注册的驱动设备类。

SPI读写数据过程

SPI写数据

static ssize_t spidev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    struct spidev_data      *spidev;
    ssize_t                 status = 0;
    unsigned long           missing;
    if (count > bufsiz)
        return -EMSGSIZE;

    spidev = filp->private_data;

    mutex_lock(&spidev->buf_lock);
    missing = copy_from_user(spidev->buffer, buf, count);//把数据从用户空间传到内核空间
    if (missing == 0) {
        status = spidev_sync_write(spidev, count);//调用写同步函数
    } else
        status = -EFAULT;
    mutex_unlock(&spidev->buf_lock);

    return status;                                                                                                                      
}

写同步函数:

spidev_sync_write(struct spidev_data *spidev, size_t len)                                                                                  
{
    struct spi_transfer     t = {
        .tx_buf         = spidev->buffer,//发送缓冲区
        .len            = len,//发送数据长度
    };
    struct spi_message      m;
    spi_message_init(&m);//初始化spi_message
    spi_message_add_tail(&t, &m);//将新的spi_transfer添加到spi_message队列尾部
    return spidev_sync(spidev, &m);//同步读写
}

SPI读数据

在本例所用的模块中,读数据的过程为:主机向模块写寄存器的地址及读的指令(如:地址为0xf0,读指令为0x00)模块收到读的指令后,数据以页的形式发送主机设置读的模式主机读取一页数据并存储

static ssize_t
spidev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    struct spidev_data	*spidev;
    int			status = 0;
    int 		i = 0;

    spidev = filp->private_data;
    mutex_lock(&spidev->buf_lock);

    gsl_fp_write(spidev, 0x00, 0xf0);//读之前先向模块写读的指令及寄存器地址
    while(1){ 
    	for(i=0;i <= 110*118/128/read_pages;i++){
    		status = gsl_fp_getOneFrame(spidev,0x00);//读1页数据
    	}
    	pos = 0;
    	break;
    }

    if(status > 0){
    	printk("gsl read data success!!!\n");
    }else{
    	printk("gsl read data failed!!!");
    }

    mutex_unlock(&spidev->buf_lock);
    return status;
}
static inline unsigned int
gsl_fp_getOneFrame(struct spidev_data *spidev,unsigned char reg_8b)
{
    int status,i;
    unsigned char buf_d[128*1+3] = {0x00,0x00};
    struct spi_transfer t;
    t.tx_buf = buf_d;
    t.rx_buf = buf_d;
    t.len = 131;

    status = gsl_spidev_sync_read(spidev, &t);

    if (status > 0){
    	
    	for(i=0;i<128*read_pages;i++)
    		kmalloc_area[pos++] = buf_d[i+3];
    }

    return status;
}
static inline ssize_t 
gsl_spidev_sync_read(struct spidev_data *spidev,struct spi_transfer *t)
{
    struct spi_message m;
    spi_message_init(&m);

    t->bits_per_word = 8;//每次读的数据长度为8位
    t->delay_usecs = 1;//每次读完延时
    t->speed_hz = 14*1000*1000;//读的速率
    t->cs_change = 1;//CS引脚电平变化

    spi_message_add_tail(t, &m);
    return spidev_sync(spidev, &m);
}

注:Firefly的SPI驱动是Linux下通用的驱动,可以参考源码:kernel/drivers/spi/spidev.c