基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)設(shè)計SPI驅(qū)動程序

　　作者：北京工業(yè)大學(xué) 集成電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗室 李琦；賀明；董利民；董健

　　在嵌入式開發(fā)過程中，許多系統(tǒng)通常使用串口驅(qū)動來滿足通信要求，但在實際應(yīng)用中，使用SPI通信方式會更加高效和快捷［2］。SPI接口是一種高速、高效的串行接口技術(shù)，因而SPI設(shè)備在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中十分方便［3］。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計了一種SPI驅(qū)動程序，該驅(qū)動程序功能可靠靈活、易于移植，可應(yīng)用于多種嵌入式平臺，實現(xiàn)ARM與設(shè)備之間的通信。

　　1 硬件說明

　　1.1 S3C2440開發(fā)平臺

　　采用三星公司的SoC芯片S3C2440［4］作為核心處理器，主頻為400 MHz，并與64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash共同組成核心部分。此外，該平臺也為用戶提供了大量的通信、顯示、調(diào)試以及I/O接口。為滿足設(shè)計需要，將Linux2.6.28版內(nèi)核移植于該平臺上。

　　1.2 SPI硬件模塊

　　S3C2440具有兩個SPI，每個SPI具有兩個8位移位寄存器用于獨立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并兼容SPI ver.2.11協(xié)議，支持8位邏輯預(yù)分頻，系統(tǒng)可用polling、中斷、DMA三種方式判斷SPI發(fā)送及接收狀態(tài)。此SPI模塊共包含以下信號線［5］：

　?。?）SCK：數(shù)據(jù)同步時鐘信號，由主設(shè)備驅(qū)動，向從設(shè)備輸出，使得從設(shè)備按照同步時鐘的步調(diào)來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　（2）nCS（由用戶指定GPIO）：從設(shè)備選擇信號線（SlaveSelect，SS）由主設(shè)備發(fā)出，用來選擇激活某個從設(shè)備，低電平有效。

　　（3）MISO（SPIMISO0）：主入從出信號線，表示該信號在主設(shè)備中作為輸入，在從設(shè)備中作為輸出。

　?。?）MOSI（SPIMOSI0）：主出從入信號線，表示該信號在主設(shè)備中作為輸出，在從設(shè)備中作為輸入。

　?。?）/SS（nSS）：多主錯誤檢測。

　　2 Linux下的SPI設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

　　Linux設(shè)備驅(qū)動在Linux內(nèi)核中扮演著重要的角色。它可使某些特定硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備工作的細節(jié)。用戶操作可通過一組標準化的調(diào)用來執(zhí)行，這些調(diào)用在形式上完全獨立于特定的驅(qū)動程序，而將這些調(diào)用映射到實際硬件設(shè)備的特有操作上，則是驅(qū)動程序的任務(wù)［6］。本設(shè)計的SPI驅(qū)動主要定義了初始化、讀和寫三個操作。其中初始化操作用于驅(qū)動程序第一次加載到內(nèi)核運行時，對一些內(nèi)核機制及存儲器進行初始化。寫操作負責將用戶數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核緩沖區(qū)，控制本地主SPI發(fā)送數(shù)據(jù)至從SPI寄存器中。讀操作將按照用戶要求讀取的字節(jié)數(shù)，連續(xù)讀取本地主SPI中接收到的數(shù)據(jù)，并將其拷貝至用戶空間。驅(qū)動程序?qū)⒉捎弥袛嗟姆绞酵ㄖ到y(tǒng)SPI數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，即當SPI硬件模塊每發(fā)送完畢一個數(shù)據(jù)，都會通過中斷線向系統(tǒng)發(fā)起中斷，系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，驅(qū)動程序?qū)⒄{(diào)用中斷處理例程。

　　2.1 SPI初始化

　　（1）申請中斷。此驅(qū)動設(shè)計通過中斷判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，所以需要申請SPI0相關(guān)的中斷，并注冊相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。此驅(qū)動程序的中斷處理函數(shù)聲明如下：

　　static irqreturn_t s3c2440_isr_spi（int irq，void*dev_id，structpt_regs*reg）

　　利用request_irq向內(nèi)核申請中斷號并注冊中斷處理函數(shù)：

　　request_irq（IRQ_SPI0，s3c2440_isr_spi，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME，s3c2440_isr_spi）；

　?。?）虛擬地址映射。驅(qū)動程序可以直接通過訪問內(nèi)核中的虛擬地址來訪問設(shè)備物理地址所對應(yīng)的寄存器，對其進行操作。SPI設(shè)備的地址映射過程如下：

　　request_mem_region（S3C2440_PA_SPI，0x30，“s3c2440-spi”）；

　　base_addr = ioremap（S3C2440_PA_SPI，0x30）；

　　其中S3C2440_PA_SPI為SPI的物理地址（在/asm-arch/arch-s3c2440/map.h中定義），從S3C2440_PA_SPI開始分配0x30大小的內(nèi)存區(qū)域，此后將其移至內(nèi)核空間。

　?。?）相關(guān)寄存器的設(shè)置。通過配置SPI功能寄存器設(shè)置SPI工作模式。以ioremap返回的虛擬地址為基址，通過增加不同偏移量訪問相應(yīng)寄存器。本次設(shè)計將本地SPI設(shè)為主設(shè)備，開啟SCK信號使能，設(shè)定CPOL和CPHA均為0，SPI工作在普通模式下。設(shè)置波特率預(yù)分頻寄存器（SPPRE）中的分頻比為8。具體設(shè)計如下：

　　__raw_writel（（S3C2440_SPCON_SMOD_INT|S3C2440_SPCON_ENSCK|S3C2440_SPCON_MSTR），s3c2440_SPCON）；

　　DPRINTK（DEVICE_NAME“SPCON initializen”）；

　　__raw_writel（（S3C2440_SPPIN_ENMUL | S3C2440_SPPIN_KEEP），s3c2440_SPPIN）；

　　DPRINTK（DEVICE_NAME“SPPIN initializen”）；

　　__raw_writel（0x07，s3c2440_SPPRE）；

　　DPRINTK（DEVICE_NAME“SPPRE initializen”）；

　?。?）初始化發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，通過頭尾指針的循環(huán)移動，實現(xiàn)對緩沖區(qū)的動態(tài)管理。其定義如下：

　　typedef struct

　　{

　　spi_buf buf［MAX_SPI_BUF］；

　　unsigned int head， tail；

　　wait_queue_head_t wq；

　　}SPI_BUF； static SPI_BUF spi_Tx_buf；static SPI_BUF spi_Rec_buf；

　　其中spi_buf表示char型，MAX_SPI_BUF為緩沖區(qū)大小，設(shè)為1 024 B。head、tail分別表示頭尾數(shù)組下標，wq為等待隊列頭。此結(jié)構(gòu)依靠以下宏進行管理：

　　#define SPI_Tx_BUF_HEAD（spi_Tx_buf.buf［spi_Tx_buf.head］）

　　#define SPI_Tx_BUF_TAIL（spi_Tx_buf.buf［spi_Tx_buf.tail］）

　　#define INCBUF（x，mod）（（++（x））&（（mod）-1））

　　前兩個宏用于引用緩沖區(qū)中的元素，最后一個宏用于對頭尾下標進行前移，并保證頭尾下標數(shù)值可循環(huán)變化，不發(fā)生溢出。

　　在初始化時，分別對接收和發(fā)送緩沖區(qū)的頭尾指針進行清零操作，具體如下：

　　spi_Tx_buf.head=spi_Tx_buf.tail=0；spi_Rec_buf.head=spi_Rec_buf.tail= 0；

　　（5）內(nèi)核機制相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化。本設(shè)計所使用的內(nèi)核機制包括了中斷上下半部的操作和睡眠等待機制，因此需要對發(fā)送、接收等待隊列以及tasklet結(jié)構(gòu)進行初始化，并注冊tasklet處理函數(shù)。初始化過程如下：

　　init_waitqueue_head（&（spi_Tx_buf.wq））；

　　init_waitqueue_head（&（spi_Rec_buf.wq））；

　　tasklet_init（&spi_tasklet，spi_tasklet_handler，data）；

　　（6）初始化相應(yīng)端口。根據(jù)S3C2440外部管腳配置，將與SPI功能引腳復(fù)用的GPIO設(shè)定為SPI相應(yīng)功能。具體操作如下：

　　s3c2440_gpio_cfgpin

　　（S3C2440_GPE11，S3C2440_GPE11_SPIMISO0）；

　　s3c2440_gpio_cfgpin

　?。⊿3C2440_GPE12，S3C2440_GPE12_SPIMOSI0）；

　　s3c2440_gpio_cfgpin

　?。⊿3C2440_GPE13，S3C2440_GPE13_SPICLK0）；

　　s3c2440_gpio_cfgpin

　　（S3C2440_GPG2，S3C2440_GPG2_INP）；//設(shè)置nSS

　　s3c2440_gpio_cfgpin（S3C2440_GPB10，

　　S3C2440_GPB10_OUTP）； //設(shè)置片選信號

　　s3c2440_gpio_setpin（S3C2440_GPB10，1）；

　　2.2 SPI寫操作

　　寫操作主要是將上層應(yīng)用部分的用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間中的環(huán)形緩沖區(qū)中，此后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到SPI發(fā)送寄存器中，在SPI發(fā)送完一個數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，中斷例程中的下半部將調(diào)用tasklet判斷緩沖區(qū)狀態(tài)。若緩沖區(qū)中有相應(yīng)的空間，可以將下一數(shù)據(jù)填入SPI發(fā)送寄存器中，直至將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。

　　本設(shè)計的寫操作實現(xiàn)了環(huán)形緩沖區(qū)的動態(tài)管理，即在緩沖區(qū)刪除數(shù)據(jù)、尾指針前移的情況下，允許向緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)，頭指針前移。此設(shè)計可以使用戶空間任務(wù)與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)發(fā)送同時進行，提高了用戶空間任務(wù)執(zhí)行效率，并且當利用copy_from_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝至內(nèi)核空間時，數(shù)據(jù)發(fā)送仍在進行，即數(shù)據(jù)從用戶空間至內(nèi)核空間拷貝過程與數(shù)據(jù)發(fā)送過程并發(fā)，提高了驅(qū)動程序效率。

　　為了實現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)動態(tài)管理，定義了copy_to_Tx_buf_init和copy_to_Tx_buf兩個函數(shù)完成數(shù)據(jù)向緩沖區(qū)的復(fù)制操作。

　　（1）copy_to_Tx_buf_init函數(shù)。本函數(shù)主要用于兩種情況：

　?、偃绻彌_區(qū)為空，當有一組數(shù)據(jù)到來且此數(shù)據(jù)的大小小于緩沖區(qū)的空間大小時，直接將此數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中。

　　②如果發(fā)送數(shù)據(jù)的大小大于剩余緩沖區(qū)的空間，則只復(fù)制緩沖區(qū)大小的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。

　　緩沖區(qū)滿，該進程進行睡眠操作，直到緩沖區(qū)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，緩沖區(qū)再次為空，當前進程被喚醒，將此組用戶數(shù)據(jù)的未發(fā)送部分復(fù)制到緩沖區(qū)，繼續(xù)發(fā)送。

　?。?）copy_to_Tx_buf函數(shù)。此函數(shù)主要用于緩沖區(qū)正在發(fā)送且未發(fā)送完畢的情況，將新一組用戶數(shù)據(jù)copy至緩沖區(qū)。首先計算緩沖區(qū)剩余空間，若剩余空間大于本組用戶數(shù)據(jù)大小，則直接將用戶數(shù)據(jù)全部copy至緩沖區(qū)；若剩余空間小于本組數(shù)據(jù)大小，則copy與剩余空間大小相同的用戶數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)。

　　寫操作的具體流程如圖1所示，首先用戶數(shù)據(jù)從空間態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的接收標志位。此后判斷數(shù)據(jù)大小。若數(shù)據(jù)大于緩沖區(qū)空間，數(shù)據(jù)發(fā)生溢出，寫操作結(jié)束；若沒有溢出，為了保證進程間的數(shù)據(jù)，使得該進程獲得自旋鎖，此時判斷緩沖區(qū)是否為空。根據(jù)上面兩個函數(shù)的介紹，在不同情況下分別調(diào)用不同的函數(shù)，在數(shù)據(jù)寫入環(huán)形緩沖區(qū)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到SPI的發(fā)送寄存器。當SPI發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)時，環(huán)形緩沖區(qū)依舊接收數(shù)據(jù)，如果此時緩沖區(qū)為滿，則釋放自旋鎖，并設(shè)置進程等待標志位（wait_Tx_done），將此進程休眠，直到發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再喚醒進程，判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢。若仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，則調(diào)用copy_to_Tx_buf_int；若數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，則寫操作結(jié)束。若緩沖區(qū)不為滿，則判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢，發(fā)送操作結(jié)束。

　　2.3 SPI讀操作

　　讀操作是連續(xù)讀取主SPI發(fā)送到從SPI的接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并將其傳送給用戶空間。具體流程如圖2所示。首先判斷操作標志位spi_Rec_en，若此位為0，說明此時驅(qū)動正處于發(fā)送狀態(tài)，則將發(fā)送進程等待標志位（wait_Tx_done）置1，讀進程進入休眠狀態(tài)即放入等待隊列中，等待中斷處理函數(shù)中相關(guān)發(fā)送程序喚醒。若操作標志位不為1，讀進程首先獲得自旋鎖，判斷數(shù)據(jù)大小。若數(shù)據(jù)大小不為0且不超過緩沖區(qū)大小，則按照S3C2440接收數(shù)據(jù)的要求，向SPI發(fā)送寄存器寫入第一個dummy數(shù)據(jù)（0xff）。此后，將接收進程等待標志位（wait_Rec_done）置1，釋放自旋鎖，并將此進程加入等待隊列進行休眠，直到用戶要求的所有數(shù)據(jù)已發(fā)送至接收緩沖區(qū)后，由中斷處理函數(shù)喚醒該進程，最后將接收區(qū)中的數(shù)據(jù)放到臨時接收緩存中，以便于其他操作讀取。

　　3 SPI驅(qū)動程序測試

　　SPI驅(qū)動程序主要通過調(diào)用寫操作，使SPI連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)0x55，此后再調(diào)用SPI讀操作，將MISO上的串行數(shù)據(jù)讀入用戶緩沖區(qū)，并與實際數(shù)據(jù)進行比較。圖3為示波器測試MOSI引腳波形。圖中波形1為SCK信號，ARM系統(tǒng)時鐘為40 MHz，SPI的SCK信號為系統(tǒng)時鐘的256分頻，約為156 kHz；波形2為MOSI信號，SPI從低位向高位串行移位。通過波形可以看出，SPI驅(qū)動能夠準確地完成讀寫操作，驗證了其正確性。