Linux SPI總線和設備驅動架構之一：系統概述

　　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 主設備的數據輸入、從設備的數據輸出腳

　　MOSI 主設備的數據輸出、從設備的數據輸入腳

　　因為在大多數情況下，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，只實現了主模式的驅動框架。

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　　硬件結構

　　通常，負責發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，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，并且它們的3個引腳必須處于高阻狀態。

　　工作時序

　　按照時鐘信號和數據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，CPOL為0表示時鐘信號初始狀態為低電平，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據，CPHA為0表示在首個時鐘變化沿采樣數據，而CPHA為1則表示要在第二個時鐘變化沿來采樣數據。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，它只負責把上層協議驅動準備好的數據按SPI總線的時序要求發送給SPI設備，同時把從設備收到的數據返回給上層的協議驅動，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，因為多個上層的協議驅動可能會通過控制器請求數據傳輸操作，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，無需直接和協議層驅動程序進行交互。而對于協議層驅動來說，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完成數據的傳輸，無需關注SPI控制器驅動的實現細節。

　　SPI協議驅動程序

　　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協議驅動程序完成的，SPI協議驅動程序了解設備的功能和通信數據的協議格式。向下，協議驅動通過通用接口層和控制器交換數據，向上，協議驅動通常會根據設備具體的功能和內核的其它子系統進行交互，例如，和MTD層交互以便把SPI接口的存儲設備實現為某個文件系統，和TTY子系統交互把SPI設備實現為一個TTY設備，和網絡子系統交互以便把一個SPI設備實現為一個網絡設備，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議要求，實現自己的專有協議驅動。

　　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，具體的協議控制和數據傳輸工作交由用戶空間根據具體的設備來完成，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據量較少的簡單SPI設備。