10. SPI 使用

10.1. SPI 简介

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。 AIO-3588SG 开发板提供了 SPI0接口,具体位置如下图:

_images/usage_spi_interface.jpg

10.2. 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/usage_spi_waveform.jpg

10.3. 驱动编写

下面以 XM25QU128C Flash 模块为例简单介绍 SPI 驱动的编写。

10.3.1. 硬件连接

AIO-3588SG与 XM25QU128C 硬件连接如下表:

XM25QU128C AIO-3588SG
/CS SPI1_M2_CS0
D0 SPI1_M2_RX
GND GND
VCC 1.8V
CLK SPI1_M2_CLK
D1 SPI1_M2_TX

10.3.2. 编写Makefile/Kconfig

kernel-5.10/drivers/spi/Kconfig 中添加对应的驱动文件配置:

config SPI_FIREFLY
       tristate "Firefly SPI demo support "
       default y
        help
          Select this option if your Firefly board needs to run SPI demo.

kernel-5.10/drivers/spi/Makefile 中添加对应的驱动文件名:

obj-$(CONFIG_SPI_FIREFLY)              += spi-firefly-demo.o

10.3.3. 配置 DTS 节点

kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi 中添加 SPI 驱动结点描述,如下所示:

/* Firefly SPI demo */
&spi1{
    spi_demo: spi_demo@00{
        compatible = "firefly,rk3588-spi";
        status = "okay";
        reg = <0x00>;
        spi-max-frequency = <50000000>;
        //spi-cpha;   /* SPI mode: CPHA=1 */
        //spi-cpol; 	/* SPI mode: CPOL=1 */
        //spi-cs-high;
    };
};

&spidev1 {
    status = "disabled";
};
  • status:如果要启用 SPI,则设为 okay,如不启用,设为 disable

  • spi-demo@00:由于本例子使用 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 spi-demo@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,AIO-3588SG最高支持 50000000。

  • 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_0 或者 SPI_MODE_3,这里我们选用 SPI_MODE_0,如果使用 SPI_MODE_3,spi_demo 中打开 spi-cpha 和 spi-cpol 即可。

10.3.4. 定义SPI驱动

在内核源码目录 kernel-5.10/drivers/spi/ 中创建新的驱动文件,如:spi-firefly-demo.c

在定义 SPI 驱动之前,用户首先要定义变量 of_device_idof_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 struct of_device_id firefly_match_table[] = { { .compatible = "firefly,rk3588-spi",},{},};

此处的 compatible 与 DTS 文件中的保持一致。

spi_driver定义如下所示:

static struct spi_driver firefly_spi_driver = {
	.driver = {
		.name = "firefly-spi",
		.owner = THIS_MODULE,
		.of_match_table = firefly_match_table,},
	.probe = firefly_spi_probe,};
};

10.3.5. 注册SPI设备

在初始化函数 static int __init firefly_spi_init(void) 中向内核注册 SPI 驱动:spi_register_driver(&firefly_spi_driver);

如果内核启动时匹配成功,则 SPI 核心会配置 SPI 的参数(mode、speed 等),并调用 firefly_spi_probe

10.3.6. 读写 SPI 数据

  • firefly_spi_probe 中使用了两种接口操作读取 XM25QU128C 的 ID:

  • firefly_spi_read_xm25x_id_0 接口直接使用了 spi_transferspi_message 来传送数据。

  • firefly_spi_read_xm25x_id_1 接口则使用 SPI 接口 spi_write_then_read 来读写数据。

成功后会打印:

console:/ $  dmesg | grep spi
[    1.791786] [    T1] firefly-spi spi1.0: Firefly SPI demo program
[    1.791788] [    T1] firefly spi demo
[    1.791795] [    T1] firefly-spi spi1.0: firefly_spi_probe: setup mode 0, 8 bits/w, 50000000 Hz max 
[    1.791797] [    T1] spi demo mode ; 0     
[    1.791838] [    T1] firefly_spi_read_xm25x_id_0 ID = 20 41 18
[    1.791875] [    T1] firefly_spi_read_xm25x_id_1 ID = 20 41 18

10.3.7. 打开 SPI demo

spi-firefly-demo 默认没有打开,如果需要的话可以使用以下补丁打开 demo 驱动:

--- a/kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi
+++ b/kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi
@@ -64,7 +64,7 @@ /* Firefly SPI demo */
 &spi1 {spi_demo: spi-demo@00{
 -                status = "disabled";
 +                status = "okay";
                  compatible = "firefly,rk3588-spi";
                  reg = <0x00>;
                  spi-max-frequency = <50000000>;

10.3.8. 常用 SPI 接口

下面是常用的 SPI API 定义:

void spi_message_init(struct spi_message *m);
void spi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m);
int spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message) ;
int spi_write(struct spi_device *spi, const void *buf, size_t len);
int spi_read(struct spi_device *spi, void *buf, size_t len);
ssize_t spi_w8r8(struct spi_device *spi, u8 cmd);
ssize_t spi_w8r16(struct spi_device *spi, u8 cmd);
ssize_t spi_w8r16be(struct spi_device *spi, u8 cmd);
int spi_write_then_read(struct spi_device *spi, const void *txbuf, unsigned n_tx, void *rxbuf, unsigned n_rx);

10.4. 接口使用

Linux 提供了一个功能有限的 SPI 用户接口,如果不需要用到 IRQ 或者其他内核驱动接口,可以考虑使用接口 spidev 编写用户层程序控制 SPI 设备。在 AIO-3588SG开发板中对应的路径为: /dev/spidev1.0

spidev 对应的驱动代码:kernel-5.10/drivers/spi/spidev.c

内核 config 需要选上 SPI_SPIDEV:

 │ Symbol: SPI_SPIDEV [=y]
 │ Type  : tristate
 │ Prompt: User mode SPI device driver support
 │   Location:
 │     -> Device Drivers
 │       -> SPI support (SPI [=y])
 │   Defined at drivers/spi/Kconfig:684
 │   Depends on: SPI [=y] && SPI_MASTER [=y]

DTS 配置如下:

&spi1{
    status = "okay";
    pinctrl-0 = <&spi1m2_cs0 &spi1m2_pins>;
    max-freq = <50000000>;
    spidev1: spidev@00{
        compatible = "rockchip,spidev";
        status = "okay";
        reg = <0x0>;
        spi-max-frequency = <50000000>;
    };
};

spidev的详细使用说明请参考文档kernel-5.10/Documentation/spi/spidev.rst

10.5. FAQs

10.5.1. Q1: SPI 数据传送异常

A1: 确保 SPI 4 个引脚的 IOMUX 配置正确, 确认 TX 送数据时,TX 引脚有正常的波形,CLK 频率正确,CS 信号有拉低,mode 与设备匹配。