基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)設計SPI驅動程序

在嵌入式開發(fā)過程中，許多系統(tǒng)通常使用串口驅動來滿足通信要求，但在實際應用中，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，因而SPI設備在數(shù)據(jù)通信應用中十分方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)，設計了一種SPI驅動程序，該驅動程序功能可靠靈活、易于移植，可應用于多種嵌入式平臺，實現(xiàn)ARM與設備之間的通信。

1硬件說明

1.1S3C2440開發(fā)平臺

1.2SPI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SPIver.2.11協(xié)議，支持8位邏輯預分頻，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]：

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

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

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

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

(5)/SS(nSS)：多主錯誤檢測。

2Linux下的SPI設備驅動程序設計

Linux設備驅動在Linux內核中扮演著重要的角色。它可使某些特定硬件響應一個定義良好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備工作的細節(jié)。用戶操作可通過一組標準化的調用來執(zhí)行，這些調用在形式上完全獨立于特定的驅動程序，而將這些調用映射到實際硬件設備的特有操作上，則是驅動程序的任務[6]。本設計的SPI驅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動程序第一次加載到內核運行時，對一些內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。驅動程序將采用中斷的方式通知系統(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)響應中斷后，驅動程序將調用中斷處理例程。

2.1SPI初始化

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

staTIcirqreturn_ts3c2440_isr_spi(inTIrq，void*dev_id，structpt_regs*reg)

利用request_irq向內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);

(2)虛擬地址映射。驅動程序可以直接通過訪問內核中的虛擬地址來訪問設備物理地址所對應的寄存器，對其進行操作。SPI設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大小的內存區(qū)域，此后將其移至內核空間。

(3)相關寄存器的設置。通過配置SPI功能寄存器設置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寄存器。本次設計將本地SPI設為主設備，開啟SCK信號使能，設定CPOL和CPHA均為0，SPI工作在普通模式下。設置波特率預分頻寄存器(SPPRE)中的分頻比為8。具體設計如下：

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

DPRINTK(DEVICE_NAME“SPCONiniTIalizen”);

__raw_writel((S3C2440_SPPIN_ENMUL|S3C2440_SPPIN_KEEP)，s3c2440_SPPIN);

DPRINTK(DEVICE_NAME“SPPINiniTIalizen”);

__raw_writel(0x07，s3c2440_SPPRE);

DPRINTK(DEVICE_NAME“SPPREinitializen”);

(4)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)結構，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：

typedefstruct

{

spi_bufbuf[MAX_SPI_BUF];

unsignedinthead，tail;

wait_queue_head_twq;

}SPI_BUF;staticSPI_BUFspi_Tx_buf;staticSPI_BUFspi_Rec_buf;

其中spi_buf表示char型，MAX_SPI_BUF為緩沖區(qū)大小，設為1024B。head、tail分別表示頭尾數(shù)組下標，wq為等待隊列頭。此結構依靠以下宏進行管理：

#defineSPI_Tx_BUF_HEAD(spi_Tx_buf.buf[spi_Tx_buf.head])

#defineSPI_Tx_BUF_TAIL(spi_Tx_buf.buf[spi_Tx_buf.tail])

#defineINCBUF(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)內核機制相關的數(shù)據(jù)結構初始化。本設計所使用的內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結構進行初始化，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)初始化相應端口。根據(jù)S3C2440外部管腳配置，將與SPI功能引腳復用的GPIO設定為SPI相應功能。具體操作如下：

s3c2440_gpio_cfgpin

(S3C2440_GPE11，S3C2440_GPE11_SPIMISO0);

s3c2440_gpio_cfgpin

(S3C2440_GPE12，S3C2440_GPE12_SPIMOSI0);

s3c2440_gpio_cfgpin

(S3C2440_GPE13，S3C2440_GPE13_SPICLK0);

s3c2440_gpio_cfgpin

(S3C2440_GPG2，S3C2440_GPG2_INP);//設置nSS

s3c2440_gpio_cfgpin(S3C2440_GPB10，

S3C2440_GPB10_OUTP);//設置片選信號

s3c2440_gpio_setpin(S3C2440_GPB10，1);

2.2SPI寫操作

寫操作主要是將上層應用部分的用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝到內核空間中的環(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)產生中斷，中斷例程中的下半部將調用tasklet判斷緩沖區(qū)狀態(tài)。若緩沖區(qū)中有相應的空間，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。此設計可以使用戶空間任務與內核空間的數(shù)據(jù)發(fā)送同時進行，提高了用戶空間任務執(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)從用戶空間至內核空間拷貝過程與數(shù)據(jù)發(fā)送過程并發(fā)，提高了驅動程序效率。

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)的復制操作。

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

①如果緩沖區(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)送部分復制到緩沖區(qū)，繼續(xù)發(fā)送。

(2)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)轉換到內核態(tài)，并設置相應的接收標志位。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，則調用copy_to_Tx_buf_int;若數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，則寫操作結束。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)送操作結束。

2.3SPI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。

3SPI驅動程序測試

SPI驅動程序主要通過調用寫操作，使SPI連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)0x55，此后再調用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40MHz，SPI的SCK信號為系統(tǒng)時鐘的256分頻，約為156kHz;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驅動能夠準確地完成讀寫操作，驗證了其正確性。