深度解析Linux SPI總線和設(shè)備驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

SPI是"Serial Peripheral Interface" 的縮寫，是一種四線制的同步串行通信接口，用來連接微控制器、傳感器、存儲(chǔ)設(shè)備，SPI設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備兩種，用于通信和控制的四根線分別是：

·CS 片選信號(hào)

·SCK 時(shí)鐘信號(hào)

·MISO 主設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入、從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出腳

·MOSI 主設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出、從設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入腳

硬件結(jié)構(gòu)

通常，負(fù)責(zé)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)備我們稱之為主設(shè)備，另一方則作為從設(shè)備，下圖是一個(gè)SPI系統(tǒng)的硬件連接示例：

圖1.1 SPI硬件結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，主設(shè)備對(duì)應(yīng)SOC芯片中的SPI控制器，通常，一個(gè)SOC中可能存在多個(gè)SPI控制器，像上面的例子所示，SOC芯片中有3個(gè)SPI控制器。每個(gè)控制器下可以連接多個(gè)SPI從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備有各自獨(dú)立的CS引腳。每個(gè)從設(shè)備共享另外3個(gè)信號(hào)引腳：SCK、MISO、MOSI。任何時(shí)刻，只有一個(gè)CS引腳處于有效狀態(tài)，與該有效CS引腳連接的設(shè)備此時(shí)可以與主設(shè)備（SPI控制器）通信，其它的從設(shè)備處于等待狀態(tài)，并且它們的3個(gè)引腳必須處于高阻狀態(tài)。

工作時(shí)序

按照時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)之間的相位關(guān)系，SPI有4種工作時(shí)序模式：

我們用CPOL表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平的狀態(tài)，CPOL為0表示時(shí)鐘信號(hào)初始狀態(tài)為低電平，為1表示時(shí)鐘信號(hào)的初始電平是高電平。另外，我們用CPHA來表示在那個(gè)時(shí)鐘沿采樣數(shù)據(jù)，CPHA為0表示在首個(gè)時(shí)鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)，而CPHA為1則表示要在第二個(gè)時(shí)鐘變化沿來采樣數(shù)據(jù)。內(nèi)核用CPOL和CPHA的組合來表示當(dāng)前SPI需要的工作模式：

·CPOL＝0，CPHA＝1 模式0

·CPOL＝0，CPHA＝1 模式1

·CPOL＝1，CPHA＝0 模式2

·CPOL＝1，CPHA＝1 模式3

軟件架構(gòu)

在內(nèi)核的SPI驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)中，進(jìn)行了合理的分層和抽象，如下圖所示：

圖2.1 SPI驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)

SPI控制器驅(qū)動(dòng)程序

SPI控制器不用關(guān)心設(shè)備的具體功能，它只負(fù)責(zé)把上層協(xié)議驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)按SPI總線的時(shí)序要求發(fā)送給SPI設(shè)備，同時(shí)把從設(shè)備收到的數(shù)據(jù)返回給上層的協(xié)議驅(qū)動(dòng)，因此，內(nèi)核把SPI控制器的驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立出來。SPI控制器驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制具體的控制器硬件，諸如DMA和中斷操作等等，因?yàn)槎鄠€(gè)上層的協(xié)議驅(qū)動(dòng)可能會(huì)通過控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸操作，所以，SPI控制器驅(qū)動(dòng)同時(shí)也要負(fù)責(zé)對(duì)這些請(qǐng)求進(jìn)行隊(duì)列管理，保證先進(jìn)先出的原則。

SPI通用接口封裝層

為了簡化SPI驅(qū)動(dòng)程序的編程工作，同時(shí)也為了降低協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序和控制器驅(qū)動(dòng)程序的耦合程度，內(nèi)核把控制器驅(qū)動(dòng)和協(xié)議驅(qū)動(dòng)的一些通用操作封裝成標(biāo)準(zhǔn)的接口，加上一些通用的邏輯處理操作，組成了SPI通用接口封裝層。這樣的好處是，對(duì)于控制器驅(qū)動(dòng)程序，只要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口回調(diào)API，并把它注冊到通用接口層即可，無需直接和協(xié)議層驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互。而對(duì)于協(xié)議層驅(qū)動(dòng)來說，只需通過通用接口層提供的API即可完成設(shè)備和驅(qū)動(dòng)的注冊，并通過通用接口層的API完成數(shù)據(jù)的傳輸，無需關(guān)注SPI控制器驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

SPI協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序

上面我們提到，控制器驅(qū)動(dòng)程序并不清楚和關(guān)注設(shè)備的具體功能，SPI設(shè)備的具體功能是由SPI協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序完成的，SPI協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序了解設(shè)備的功能和通信數(shù)據(jù)的協(xié)議格式。向下，協(xié)議驅(qū)動(dòng)通過通用接口層和控制器交換數(shù)據(jù)，向上，協(xié)議驅(qū)動(dòng)通常會(huì)根據(jù)設(shè)備具體的功能和內(nèi)核的其它子系統(tǒng)進(jìn)行交互，例如，和MTD層交互以便把SPI接口的存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)為某個(gè)文件系統(tǒng)，和TTY子系統(tǒng)交互把SPI設(shè)備實(shí)現(xiàn)為一個(gè)TTY設(shè)備，和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)交互以便把一個(gè)SPI設(shè)備實(shí)現(xiàn)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，等等。當(dāng)然，如果是一個(gè)專有的SPI設(shè)備，我們也可以按設(shè)備的協(xié)議要求，實(shí)現(xiàn)自己的專有協(xié)議驅(qū)動(dòng)。

SPI通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

有時(shí)候，考慮到連接在SPI控制器上的設(shè)備的可變性，在內(nèi)核沒有配備相應(yīng)的協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于這種情況，內(nèi)核為我們準(zhǔn)備了通用的SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，該通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向用戶空間提供了控制SPI控制的控制接口，具體的協(xié)議控制和數(shù)據(jù)傳輸工作交由用戶空間根據(jù)具體的設(shè)備來完成，在這種方式中，只能采用同步的方式和SPI設(shè)備進(jìn)行通信，所以通常用于一些數(shù)據(jù)量較少的簡單SPI設(shè)備。