一、spi子系统简介
1.spi总线
串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是微控制器和外围IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之间使用最广泛的接口之一。 SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接口可以是3线式或4线式。本质上SPI是一个移位寄存器。
SPI总线一般四根线：
SCK：串行时钟，由SPI总线的主机提供，用于同步通信。
CS:一个spi总线上cs可以有多个，主机通过cs引脚控制不同的从机，cs为低电平的时候表示从机被选中，从而主机和被选中的从机通信。同一时刻一般只有从机的cs引脚被置低。
MOSI：主机输出、从机输入。数据由主机向从机发送。
MISO：主机输入、从机输出。数据由从机向主机发送。
时钟极性和时钟相位：
在SPI中，主机可以选择时钟极性和时钟相位。
时钟极性CPOL（Clock Polarity）：是用来配置SCLK的电平处于哪种状态时有效。
CPOL=0：表示高电平有效，低电平处于空闲态。
CPOL=1：表示低电平有效，高电平处于空闲态。
时钟相位CPHA（Clock Phase）：是用来配置数据采样是在第几个边沿，0表示第一个边沿（前沿Leading edge），1表示第二个边沿（后沿Trailing edge）。
CPHA=0：表示数据采样是在第1个边沿，数据发送在第2个边沿。
CPHA=1：表示数据采样是在第2个边沿，数据发送在第1个边沿。
主机需要根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位，也即从机的传输模式决定了主机的传输模式。故先要了解从机的SPI是何种模式，然后再将主机的SPI的模式设置成同样的模式，即可正常通讯。根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。
传统的SPI协议是全双工、一根数据线的总线协议，现在的SPI协议可以多跟数据线同时用于读写，由2、4、8根线。SPI是一种传输速度快，但没有数据传输校验的短距离通信方式（i2c通信会有ack应答等保证数据传输到）。
2. spi子系统
linux下的spi驱动不支持热插拔（i2c同样不支持，usb、hdmi支持热插拔）。因此需要驱动提供板级信息。使用的时候需要将板级信息填充到结构体里面、之后进行注册即可。
二、spi子系统使用（以icm20608为例）
1.入口、退出函数
//驱动入口处函数
static int __init icm20608_init(void)
{
//注册一个spi驱动。
return spi_register_driver(&icm20608_spi_driver);
}
//驱动退出处函数
static void __exit icm20608_exit(void)
{
return spi_unregister_driver(&icm20608_spi_driver);
}2. icm20608的spi驱动注册、卸载
icm20608_spi_driver是一个struct spi_driver类型的结构体。用来存放spi驱动相关的参数，包括probe、remove函数。 icm20608_spi_driver具体内如如下:
static const struct spi_device_id icm20608_id_table[]={
{"alientek,icm20608", 0},
{},
};
static const struct of_device_id icm20608_of_match[]={
{.compatible = "alientek,icm20608"},
{},
};
static struct spi_driver icm20608_spi_driver = {
.probe = icm20608_probe,
.remove = icm20608_remove,
.driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "icm20608",
.of_match_table = icm20608_of_match,
},
.id_table = icm20608_id_table,
};alientek,icm20608字符串是用于在设备树里面匹配到对应的节点。
3. probe、remove函数
probe函数里面需要做一下事情：
1. 构建设备号
alloc_chrdev_region(&icm20608_device.dev_id, 0, 1, ICM20608_NAME);
icm20608_device.major = MAJOR(icm20608_device.dev_id);
2. 初始化字符设备
cdev_init(&icm20608_device.cdev, &icm20608_device_fops);
cdev_add(&icm20608_device.cdev,icm20608_device.dev_id,1);
3. 创建类
icm20608_device.class = class_create(THIS_MODULE,ICM20608_NAME);
4. 创建设备
icm20608_device.device = device_create(icm20608_device.class, NULL, icm20608_device.dev_id, NULL, ICM20608_NAME);
5. 获取设备节点
icm20608_device.device_node = of_find_node_by_path("/soc/aips-bus@02000000/spba-bus@02000000/ecspi@02010000");
6. 设置片选引脚
icm20608_device.cs_gpio = of_get_named_gpio(icm20608_device.device_node, "cs-gpio", 0);
gpio_direction_output(icm20608_device.cs_gpio, 1);
7. 设置spi
spi_setup(spi);
8. icm20608寄存器初始化
icm20608_reg_init();
具体代码如下：
static int icm20608_probe(struct spi_device *spi)
{
int ret = 0;
printk("icm20608_probe start\n");
//1. 构建设备号
if(icm20608_device.major){
icm20608_device.dev_id = MKDEV(icm20608_device.major, 0);
register_chrdev_region(icm20608_device.dev_id, 1, ICM20608_NAME);
} else{
alloc_chrdev_region(&icm20608_device.dev_id, 0, 1, ICM20608_NAME);
icm20608_device.major = MAJOR(icm20608_device.dev_id);
}
//2. 初始化字符设备
cdev_init(&icm20608_device.cdev, &icm20608_device_fops);
cdev_add(&icm20608_device.cdev,icm20608_device.dev_id,1);
//3. 创建类
icm20608_device.class = class_create(THIS_MODULE,ICM20608_NAME);
if(IS_ERR(icm20608_device.class)){
return PTR_ERR(icm20608_device.class);
}
//4. 创建设备
icm20608_device.device = device_create(icm20608_device.class, NULL, icm20608_device.dev_id, NULL, ICM20608_NAME);
if(IS_ERR(icm20608_device.device)){
return PTR_ERR(icm20608_device.device);
}
//5. 获取设备节点
icm20608_device.device_node = of_find_node_by_path("/soc/aips-bus@02000000/spba-bus@02000000/ecspi@02010000");
if(icm20608_device.device_node == NULL){
printk("icm20608 device node not find\n");
return -EINVAL;
}
//6. 获取片选信号，设置片选信号引脚属性
icm20608_device.cs_gpio = of_get_named_gpio(icm20608_device.device_node, "cs-gpio", 0);
if(icm20608_device.cs_gpio < 0){
printk("icm20608 cs gpio not find\n");
return -EINVAL;
}
ret = gpio_direction_output(icm20608_device.cs_gpio, 1);
if(ret < 0){
printk("icm20608 cs gpio set fail\n");
return -EINVAL;
}
//7. 设置spi
spi->mode = SPI_MODE_0;
spi_setup(spi);
icm20608_device.privative_data = spi;
//8. 寄存器初始化
icm20608_reg_init();
printk("icm20608_probe ok\n");
return 0;
}4. icm20608结构体及驱动文件操作
icm20608的文件操作则存放在类型为struct file_operations的icm20608_device_fops结构体中，这个对应linux下的设备文件，包括open、release、read等函数，与平常使用的驱动fops函数类似，在open里面获取当前获取驱动自定义的结构体。
static const struct file_operations icm20608_device_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = icm20608_device_open,
.read = icm20608_device_read,
.release = icm20608_device_release,
};每个应用打开该设备（/dev/icm20608）,均会获得一个icm20608_device结构体，用于后面的read、write、ioctl等操作。icm20608_device的类型是struct icm20608_device，自定义的一个icm操作资源描述结构体，用于控制icm硬件，定义如下。
struct icm20608_device{
dev_t dev_id; //设备号
int major; //主设备号
int minor; //次设备号
struct cdev cdev; //字符设备
struct class *class; //类
struct device *device; //设备
struct device_node *device_node; //设备节点
void *privative_data; //私有数据
int cs_gpio; //片选引脚
};
5. spi驱动的读写函数
spi总线本质上是两个移位寄存器进行交换数据。主机选择cs引脚，并进行读写。linux的spi驱动框架提供了响应的API函数，只要调用响应的API即可完成spi总线的读写过程。
主机读过程：
unsigned char tx_data[len];
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)icm20608_device->privative_data; //获取spi
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if(t == NULL){
return -1;
}
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,0); //选择cs
tx_data[0] = reg | 0x80; //写数据的时候寄存器地址bit8要置1
t->tx_buf = tx_data; //要发送的数据
t->len = 1;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
kzfree(t);
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,1); //取消选择cs主机写过程：
unsigned char tx_data[len];
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)icm20608_device->privative_data; //获取spi
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if(t == NULL){
return -1;
}
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,0); //选择cs
tx_data[0] = 0xff;
t->rx_buf = buf; //要读取的数据
t->len = len;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
kzfree(t);
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,1); //取消选择cs6. icm20608的读写函数
根据spi驱动框架的api可以写出icm20608的读写操作函数。
static int icm20608_read_regs(struct icm20608_device *icm20608_device,uint8_t reg,uint8_t *buf,uint8_t len)
{
int ret = 0;
unsigned char tx_data[len];
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)icm20608_device->privative_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if(t == NULL){
return -1;
}
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,0); //选择cs
//先发送寄存器地址，后读取数据
tx_data[0] = reg | 0x80; //写数据的时候寄存器地址bit8要置1
t->tx_buf = tx_data; //要发送的数据
t->len = 1;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
//读取数据
tx_data[0] = 0xff;
t->rx_buf = buf; //要读取的数据
t->len = len;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
kzfree(t);
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,1); //拉高
return ret;
}static int icm20608_write_regs(struct icm20608_device *icm20608_device,uint8_t reg,uint8_t *buf,uint8_t len)
{
int ret = 0;
unsigned char tx_data[len];
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)icm20608_device->privative_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL);
if(t == NULL){
return -1;
}
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,0); //选择cs
//先发送寄存器地址，后发送数据
tx_data[0] = reg & ~0x80; //写数据的时候寄存器地址bit8要清零
t->tx_buf = tx_data; //要发送的数据
t->len = 1;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
//发送数据
t->tx_buf = buf; //要发送的数据
t->len = len;
spi_message_init(&m); //初始化spi消息
spi_message_add_tail(t,&m); //将要发送的数据添加到message消息队列
ret = spi_sync(spi,&m); //发送数据
kzfree(t);
gpio_set_value(icm20608_device->cs_gpio,1); //拉高
return ret;
}剩下的写一个寄存器、读一个寄存器、寄存器初始化。
static uint8_t icm20608_read_one_reg(struct icm20608_device *icm20608_device,uint8_t reg)
{
uint8_t buf = 0;
icm20608_read_regs(icm20608_device,reg,&buf,1);
return buf;
}
static void icm20608_write_one_reg(struct icm20608_device *icm20608_device,uint8_t reg,uint8_t value)
{
uint8_t buf = value;
icm20608_write_regs(icm20608_device,reg,&buf,1);
}
static void icm20608_reg_init(void)
{
u8 value = 0;
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x80);
mdelay(50);
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x01);
mdelay(50);
value = icm20608_read_one_reg(&icm20608_device, ICM20_WHO_AM_I);
printk("HTQ_ICM20608 ID = %#X\r\n", value);
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_SMPLRT_DIV, 0x00); /* 输出速率是内部采样率 */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_GYRO_CONFIG, 0x18); /* 陀螺仪±2000dps量程 */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_ACCEL_CONFIG, 0x18); /* 加速度计±16G量程 */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_CONFIG, 0x04); /* 陀螺仪低通滤波BW=20Hz */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_ACCEL_CONFIG2, 0x04); /* 加速度计低通滤波BW=21.2Hz */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_PWR_MGMT_2, 0x00); /* 打开加速度计和陀螺仪所有轴 */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_LP_MODE_CFG, 0x00); /* 关闭低功耗 */
icm20608_write_one_reg(&icm20608_device, ICM20_FIFO_EN, 0x00); /* 关闭FIFO */
}7. 应用测试代码
应用只需要打开对应的设备节点，进行read、write操作即可得到icm20608的数据。
代码如下（借用原子哥的代码，仅用于测试）：
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
char *filename;
signed int databuf[7];
unsigned char data[14];
signed int gyro_x_adc, gyro_y_adc, gyro_z_adc;
signed int accel_x_adc, accel_y_adc, accel_z_adc;
signed int temp_adc;
float gyro_x_act, gyro_y_act, gyro_z_act;
float accel_x_act, accel_y_act, accel_z_act;
float temp_act;
int ret = 0;
if (argc != 2) {
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0) {
printf("can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
while (1) {
ret = read(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(ret == 0) { /* 数据读取成功 */
gyro_x_adc = databuf[0];
gyro_y_adc = databuf[1];
gyro_z_adc = databuf[2];
accel_x_adc = databuf[3];
accel_y_adc = databuf[4];
accel_z_adc = databuf[5];
temp_adc = databuf[6];
/* 计算实际值 */
gyro_x_act = (float)(gyro_x_adc) / 16.4;
gyro_y_act = (float)(gyro_y_adc) / 16.4;
gyro_z_act = (float)(gyro_z_adc) / 16.4;
accel_x_act = (float)(accel_x_adc) / 2048;
accel_y_act = (float)(accel_y_adc) / 2048;
accel_z_act = (float)(accel_z_adc) / 2048;
temp_act = ((float)(temp_adc) - 25 ) / 326.8 + 25;
printf("\r\n原始值:\r\n");
printf("gx = %d, gy = %d, gz = %d\r\n", gyro_x_adc, gyro_y_adc, gyro_z_adc);
printf("ax = %d, ay = %d, az = %d\r\n", accel_x_adc, accel_y_adc, accel_z_adc);
printf("temp = %d\r\n", temp_adc);
printf("实际值:");
printf("act gx = %.2f°/S, act gy = %.2f°/S, act gz = %.2f°/S\r\n", gyro_x_act, gyro_y_act, gyro_z_act);
printf("act ax = %.2fg, act ay = %.2fg, act az = %.2fg\r\n", accel_x_act, accel_y_act, accel_z_act);
printf("act temp = %.2f°C\r\n", temp_act);
}
usleep(100000); /*100ms */
}
close(fd); /* 关闭文件 */
return 0;
}三、总结
linux系统中有厂家写好的spi相关驱动，在使用中只是使用最下面注册spi设备相关的操作，将spi设备相关的操作注册到上层厂家写好的spi框架中（spi_register_driver（&icm20608_spi_driver）函数注册），在这个结构体中需要提供probe、remove、设备名（对应设备数中名字）等，probe根据设备名用于匹配设备树相关信息（insmod icm.ko）既是这个过程。当在应用中使用open则对应与fops相关操作，与hello world驱动并无大的不同。
环境：服务器ubuntu16，正点原子imx6ull开发板emmc版本。
参考书：Linux设备驱动开发详解（基于最新的Linux4.0内核） 宋宝华著
Linux设备驱动程序 J & G著