Linux下如没SPI控制器GPIO火速来救主

原创
2020/12/04 07:30
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[导读] 干过单片机的盆友或许都拿IO口对着时序模拟过SPI主控制器,在做嵌入式Linux设备开发时,发现SPI对应的脚都被用了,或者被当成别的用途了,这时候咋办?你或许会说我翻IO口写个字符驱动不就完了么?当然你可以这么做,然而并没有必要。自己写也挺麻烦且未必稳。憋慌!且看本文分解~

SPI什么鬼?

SPI(Serial Peripheral Interface) 是一种嵌入式系统中应用广泛的同步串行通信、主从架构式总线接口。80年代由摩托罗拉开发,已成为事实标准。

要理解啥是SPI,先上图,一图胜千言:

常见的SPI接口有这样几个引脚:

  • SCLK: 串行时钟,总是主端负责输出(Master)。总是由主端控制该信号,从端为输入采样。
  • MOSI:主出从入(Master Output Slave Input)。总是由主端控制该信号,从端为输入采样。
  • MISO:主入从出(Master Input Slave Output)。总是由从端控制该信号,主端为输入采样。
  • :从选择信号(Slave Select)。总是由主端控制该信号,从端为输入采样。

常见的两种总线连接方式,

方式一:独立片选


每个从设备都有独立的片选引脚 ,主机同一时间段内,与一个从设备进行通信,也即选中一个从设备,其他线并接共用

方式二:菊花链


SCK/CS共用,数据线入出环形链接,bit流在SCK时钟作用下击鼓传花,逐次移位传递。

Linux下SPI框架

一图胜千言,看看我画的图吧:

  • spi.c 实现了SPI core的公共抽象,SPI core负责抽象所有控制器具有的公共功能代码,并同时为spi protocol驱动程序提供接口,例如spi_message,spi_transfer,spi_async等。
  • SPI controller:SPI控制器层实现不同芯片SPI控制器的差异性实现,完成数据的bit级别的收发控制实现,并最终控制其对应的总线。
  • SPI devie:实现设备驱动,负责从控制器收发数据,并实现应用协议的解析等。
  • SPI外设控制:逻辑电路层,负责底层的IO电路级控制。
  • SPI从设备:挂载在具体的SPI总线上的芯片,比如传感器、FLASH存储设备等。

GPIO SPI Master?

前面说自己拿GPIO对着SPI收发时序波形去实现SPI字符设备有点重新造砖的嫌疑,且造出的砖兼容性、稳定性往往都差强人意。辣么,Linux下不这么干,可以怎么干呢?

首先用下面命令打开内核配置界面,来瞅瞅:

make menuconfig

稍等那么一会儿,熟悉的界面就出来了:

进入Device Drivers:

进入到SPI support,按Y选择:

  • GPIO-based bitbanging SPI Master,这便是GPIO SPI主控制器的配置项
  • User mode SPI device driver support,这便是spidev设备驱动的配置项

完事之后,一顿退出保存配置,记得保存配置,别配置了半天没存哈。

设备树配置

前面配置好了GPIO主控制器以及spidev设备驱动,然而如果直接编译,将内核部署到目标板上运行你发现啥也没有。那么还要做什么呢?你需要根据你的板子的情况配置哪些GPIO为SPI主控制对应的引脚!比如我用的ZYNQ,我这样配:

spi {
 compatible = "spi-gpio";
 #address-cells = <0x1>;
 ranges;

 sck-gpios = <&gpio0 7 0>;
 miso-gpios = <&gpio0 11 0>;
 mosi-gpios = <&gpio0 10 0>;
 cs-gpios = <&gpio0 12 0>;
 num-chipselects = <1>;
 /* 从设备clients */
    device_0@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        spi-rx-bus-width = <1>;
        spi-tx-bus-width = <1>;
        bits-per-word = <8>;
    };
}; 

主控制器设备树:

  • compatible = "spi-gpio",这里兼容性表示使用GPIO的主控制器。编译时会自动编译spi-gpio.c
  • sck-gpios/miso-gpios/mosi-gpios/cs-gpios:为SPI对应的4个脚的配置,后面的则根据目标板进行设置。
  • num-chipselects:设置有几个片选

从设备设备树:

  • compatible = "spidev",这里设置spidev对应spidev.c的实现,当然你完全可以自己写个设备驱动,但是对于大部分应用而言没有必要,直接在用户空间实现应用协议不香么?
  • reg = <0>,括号里如果有多个从设备则依次增加
  • spi-max-frequency,设定spi频率,这里假定设置为500k
  • spi-rx-bus-width/spi-tx-bus-width,这里可选,如果是quad等设备则需要设置
  • bits-per-word:表示一个字节多少位
  • 另外spi-cpol/spi-cpha,则根据设备的SPI模式进行相应配置
  • spi-3wire:如果对应的设备是3线SPI设备,则可将该属性加上。

部署测试

设备树配置好后,编译加载到目标板上,此时在/dev下就会出现相应的设备 ,比如这样:

我配了好几个spidev,所以出现这么几个设备。

至于怎么从用户空间测试这些驱动,就是基本的文件open/read/write操作了,这里就不赘述了。

总结一下

本文梳理了一下在SPI受限的情况下,Linux中GPIO用做SPI控制器的方法及实现,不用敲一行代码就妥了。把该驱的芯片就驱起来了。这里一个小的tips:

当面临要写驱动的时候,先查查是否已经有现成的实现,鼓捣鼓捣就能用岂不是妙!

Linux发展至今,为啥能如此广泛应用,从这里也可见一斑。你大部分想到的需求,都基本给你造好了。拿来就用,一用就对!他不香么?

最近较忙,原创不易,在看/点赞/转发支持一波可好~~~

END
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