Linux SPI總線和設備驅動架構之一：系統(tǒng)概述

　　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、存儲設備，SPI設備分為主設備和從設備兩種，用于通信和控制的四根線分別是：

　　CS 片選信號

　　SCK 時鐘信號

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

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

　　因為在大多數(shù)情況下，CPU或SOC一側通常都是工作在主設備模式，所以，目前的Linux內核版本中，只實現(xiàn)了主模式的驅動框架。

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　　硬件結構

　　通常，負責發(fā)出時鐘信號的設備我們稱之為主設備，另一方則作為從設備，下圖是一個SPI系統(tǒng)的硬件連接示例：

　　圖1.1 SPI硬件結構圖

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

　　工作時序

　　按照時鐘信號和數(shù)據(jù)信號之間的相位關系，SPI有4種工作時序模式：

　　我們用CPOL表示時鐘信號的初始電平的狀態(tài)，CPOL為0表示時鐘信號初始狀態(tài)為低電平，為1表示時鐘信號的初始電平是高電平。另外，我們用CPHA來表示在那個時鐘沿采樣數(shù)據(jù)，CPHA為0表示在首個時鐘變化沿采樣數(shù)據(jù)，而CPHA為1則表示要在第二個時鐘變化沿來采樣數(shù)據(jù)。內核用CPOL和CPHA的組合來表示當前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

　　在內核的SPI驅動的軟件架構中，進行了合理的分層和抽象，如下圖所示：

　　圖2.1 SPI驅動的軟件架構

　　SPI控制器驅動程序

　　SPI控制器不用關心設備的具體功能，它只負責把上層協(xié)議驅動準備好的數(shù)據(jù)按SPI總線的時序要求發(fā)送給SPI設備，同時把從設備收到的數(shù)據(jù)返回給上層的協(xié)議驅動，因此，內核把SPI控制器的驅動程序獨立出來。SPI控制器驅動負責控制具體的控制器硬件，諸如DMA和中斷操作等等，因為多個上層的協(xié)議驅動可能會通過控制器請求數(shù)據(jù)傳輸操作，所以，SPI控制器驅動同時也要負責對這些請求進行隊列管理，保證先進先出的原則。

　　SPI通用接口封裝層

　　為了簡化SPI驅動程序的編程工作，同時也為了降低協(xié)議驅動程序和控制器驅動程序的耦合程度，內核把控制器驅動和協(xié)議驅動的一些通用操作封裝成標準的接口，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，對于控制器驅動程序，只要實現(xiàn)標準的接口回調API，并把它注冊到通用接口層即可，無需直接和協(xié)議層驅動程序進行交互。而對于協(xié)議層驅動來說，只需通過通用接口層提供的API即可完成設備和驅動的注冊，并通過通用接口層的API完成數(shù)據(jù)的傳輸，無需關注SPI控制器驅動的實現(xiàn)細節(jié)。

　　SPI協(xié)議驅動程序

　　上面我們提到，控制器驅動程序并不清楚和關注設備的具體功能，SPI設備的具體功能是由SPI協(xié)議驅動程序完成的，SPI協(xié)議驅動程序了解設備的功能和通信數(shù)據(jù)的協(xié)議格式。向下，協(xié)議驅動通過通用接口層和控制器交換數(shù)據(jù)，向上，協(xié)議驅動通常會根據(jù)設備具體的功能和內核的其它子系統(tǒng)進行交互，例如，和MTD層交互以便把SPI接口的存儲設備實現(xiàn)為某個文件系統(tǒng)，和TTY子系統(tǒng)交互把SPI設備實現(xiàn)為一個TTY設備，和網(wǎng)絡子系統(tǒng)交互以便把一個SPI設備實現(xiàn)為一個網(wǎng)絡設備，等等。當然，如果是一個專有的SPI設備，我們也可以按設備的協(xié)議要求，實現(xiàn)自己的專有協(xié)議驅動。

　　SPI通用設備驅動程序

　　有時候，考慮到連接在SPI控制器上的設備的可變性，在內核沒有配備相應的協(xié)議驅動程序，對于這種情況，內核為我們準備了通用的SPI設備驅動程序，該通用設備驅動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)具體的設備來完成，在這種方式中，只能采用同步的方式和SPI設備進行通信，所以通常用于一些數(shù)據(jù)量較少的簡單SPI設備。