基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)設(shè)計SPI驅(qū)動程序

在嵌入式開發(fā)過程中，很多系統(tǒng)通常使用串口驅(qū)動來滿足通信要求，但在實際應(yīng)用中，SPI通信更高效更快捷[2]。SPI接口是一種高速高效的串行接口技術(shù)，因此SPI設(shè)備在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中非常方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計了一種可靠、靈活、易于移植的SPI驅(qū)動程序，可應(yīng)用于各種嵌入式平臺，實現(xiàn)ARM與設(shè)備之間的通信。
1硬件描述
1.1S3C2440開發(fā)平臺
1.2SPI硬件模塊
S3C2440有兩個SPI，每個SPI有兩個8位移位寄存器，用于獨立發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。與SPIver.2.11協(xié)議兼容，支持8位邏輯預(yù)分頻。系統(tǒng)可以通過輪詢、中斷和直接存儲器存取來判斷SPI的發(fā)送和接收狀態(tài)。該SPI模塊包含以下信號線[5]:
(1)SCK:數(shù)據(jù)同步時鐘信號，由主設(shè)備驅(qū)動并輸出到從設(shè)備，以便從設(shè)備可以根據(jù)同步時鐘接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
(2)nCS(用戶指定的GPIO):slave  select信號線(SS)由主設(shè)備發(fā)送，用于選擇和激活一個從設(shè)備，在低電平時有效。
(3)MISO(SPIMISO0):主輸入/輸出信號線，表示該信號在主設(shè)備中用作輸入，在從設(shè)備中用作輸出。
(4)MOSI(SPIMOSI0):主輸出和從輸入信號線，表示信號在主設(shè)備中輸出，在從設(shè)備中輸入。
(5)/SS(nSS):多主檢錯。
2Linux下SPI設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計
2.1SPI初始化
(1)申請中斷。在這個驅(qū)動程序設(shè)計中，需要申請與SPI0相關(guān)的中斷，并注冊相應(yīng)的中斷處理功能。該驅(qū)動程序的中斷處理函數(shù)聲明如下：
staTIcirqreturn  _ ts3c  2440 _ ISR  _ SPI(IntRq，void*dev_id，structpt_regs*reg)
使用request_irq向內(nèi)核申請一個中斷號，并注冊一個中斷處理函數(shù)：
request_irq(IRQ_SPI0，s3c2440_isr_spi，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME，s  3c  2440 _ ISR  _ SPI)；
(2)虛擬地址映射。驅(qū)動可以通過訪問內(nèi)核中的虛擬地址，直接訪問設(shè)備物理地址對應(yīng)的寄存器。SPI器件的地址映射過程如下：
request  _ mem  _ region(s3c  2440 _ PA  _ SPI，0x30，“s3c  2440-SPI”)；
base  _ addr=iore  map(s3c  2440 _ PA  _ SPI，0x  30)；
S3C2440_PA_SPI是SPI的物理地址(在/asm-arch/arch-s3c2440/map.h中定義)，0x30的內(nèi)存區(qū)域從S3C2440_PA_SPI分配，然后移動到內(nèi)核空間。
(3)設(shè)置相關(guān)寄存器。通過配置SPI功能寄存器設(shè)置SPI工作模式。ioremap返回的虛擬地址作為基地址，通過增加不同的偏移量來訪問相應(yīng)的寄存器。在本設(shè)計中，本地SPI設(shè)置為主設(shè)備，SCK信號使能，CPOL和CPHA設(shè)置為0，SPI工作在正常模式。將波特率預(yù)分頻寄存器(SPPRE)中的分頻比設(shè)置為8。具體設(shè)計如下：
_ _ raw  _ writel((s3c  2440 _ SPCON  _ SMOD  _ INT  | s3c  2440 _ SPCON  _ ENSCK  | s3c  2440 _ SPCON  _ MSTR)，s3c  2440 _ SPCON)；
DPRINTK(DEVICE  _ NAME  " SPCONiniTIalizen  ")；
_ _ raw  _ writel((s3c  2440 _ SPPIN  _ ENMUL  | s3c  2440 _ SPPIN  _ KEEP)，s3c  2440 _ SPPIN)；
DPRINTK(DEVICE  _ NAME  " SPPINiniTIalizen  ")；
__raw_writel(0x07，s3c  2440 _ 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)采用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，通過頭尾指針的循環(huán)移動實現(xiàn)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(shè)為1024B。head、tail分別表示頭尾數(shù)組下標(biāo)，wq為等待隊列頭。此結(jié)構(gòu)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(biāo)進行前移，并保證頭尾下標(biāo)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(nèi)核機制相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化。本設(shè)計所使用的內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)端口。根據(jù)S3C2440外部管腳配置，將與SPI功能引腳復(fù)用的GPIO設(shè)定為SPI相應(yīng)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(shè)置nSS
s3c2440_gpio_cfgpin（S3C2440_GPB10，
S3C2440_GPB10_OUTP）；//設(shè)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(yīng)用部分的用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)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(chǎn)生中斷，中斷例程中的下半部將調(diào)用tasklet判斷緩沖區(qū)狀態(tài)。若緩沖區(qū)中有相應(yīng)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(shè)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(shè)計可以使用戶空間任務(wù)與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)發(fā)送同時進行，提高了用戶空間任務(wù)執(zhí)行效率，并且當(dāng)利用copy_from_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝至內(nèi)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(nèi)核空間拷貝過程與數(shù)據(jù)發(fā)送過程并發(fā)，提高了驅(qū)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(fù)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(dāng)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(fù)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(dāng)前進程被喚醒，將此組用戶數(shù)據(jù)的未發(fā)送部分復(fù)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(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的接收標(biāo)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(jié)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(diào)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(dāng)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(shè)置進程等待標(biāo)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(diào)用copy_to_Tx_buf_int；若數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，則寫操作結(jié)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(jié)束。