Linux SPI驱动学习——device、driver注册匹配

博客说明

撰写日期	2019.10.22
完稿日期	2019.10.23
最近维护	暂无
本文作者	multimicro
联系方式	[email protected]
资料链接	本文无附件资料
GitHub	https://github.com/wifialan/drivers/
原文链接	https://blog.csdn.net/multimicro/article/details/102685871

开发环境

环境说明	详细信息	备注信息
操作系统	Ubunut 18.04
开发板	JZ2440-V3
Linux内核	linux-3.4.2

1. Linux SPI概述

鄙人通过查看宋宝华《Linux设备驱动开发详解–基于最新的Linux 4.0内核》 第12章：Linux设备驱动的软件架构思想，初步了解了总线、设备和驱动这三个名词：
总线：比如4线SPI的总线是四条线，这四条线就构成了SPI总线，但不知道这样解释合不合适，保留疑问。
设备：对应的是spi_device——外设设备的抽象
驱动：对应的是spi_drivce——外设端驱动
以上解释暂保留疑问。

先知道有这三个名词吧。

下面的内容只是对SPI驱动的初步实现进行感性的认识，先实现，后谈理论分析。

1.1 SPI驱动框架

如下图所示

设备驱动(外设端驱动)抽象出来一个spi_driver，用外设模块所规定的传输协议收发数据，具体实现就是调用主机端的spi收发函数进行排列组合实现外设协议所规定的波形。
控制器驱动(主机端驱动)抽象出来一个spi_master，用于产生总线上的波形。比如调用spi_transfer函数发送一个16位的数据，那么在总线上就会生成一个16位的SPI波形，主机端只产生波形不干别的。

2. SPI 注册匹配

2.1 spi_drive注册

再看韦东山SPI视频时，他说参考内核中的其他代码进行编写，如sound/soc/codecs/ad1936.c文件中第374-388c行：

static struct spi_driver ad1836_spi_driver = {
	.driver = {
		.name	= "ad1836",
		.owner	= THIS_MODULE,
	},
	.probe		= ad1836_spi_probe,
	.remove		= __devexit_p(ad1836_spi_remove),
	.id_table	= ad1836_ids,
};

static int __init ad1836_init(void)
{
	return spi_register_driver(&ad1836_spi_driver);
}
module_init(ad1836_init);

Tips：在source inside中采用快捷键ctrl + ?调出Lookup References框框，然后输如spi_driver，在生成的搜索结果里面第一项展开即可直接定位至文件中的spi_driver所在行。

注册spi_driver的步骤为:

Step 1:
我仿照编写的spi_driver程序为如下：
路径：drivers/char/w25q16_spi.c

static struct spi_driver w25q16_spi_driver =
{
    .driver     =
    {
        .name   = "w25q16",	/* spi_driver注册成功后，会在/sys/bus/spi/drivers/目录下面显示出该name字段的名字，见下图 */
        .owner  = THIS_MODULE,
    },
    .probe      = w25q16_bus_spi_probe,
    .remove     = __devexit_p(w25q16_bus_spi_remove),
};

module_init(w25q16_driver_init);

该程序所在文件的位置为：drives/char/w25q16_spi.c
我把这个flash定为字符驱动进行编写了，所以该文件在char这个文件夹里面。
按照驱动在内核模块中的加载方式，还需要同步修改Kconfig和Makefile
Step 2:
在Kconfig中增添信息

Step 3:
在Makefile中增添信息

在menuconfig菜单中勾选此选项即可，另外，为了开启SPI支持，需要在menuconfig菜单中同步开启如下选项：
d.1 配置内核使用主控驱动 spi-s3c24xx.c

-> General setup
[*] Prompt for development and/or incomplete code/drivers

-> Device Drivers
-> SPI support
<*> Samsung S3C24XX series SPI

2.2 spi_device注册

spi_device 的注册可以由系统完成，具体是通过内核中spi_match_master_to_boardinfo函数（在spi_register_board_info函数中调用），board_info里含有bus_num, 如果某个spi_master的bus_num跟它一样，则创建一个新的spi_device，代码如下：
路径：drivers/spi/spi.c

static void spi_match_master_to_boardinfo(struct spi_master *master,
				struct spi_board_info *bi)
{
	struct spi_device *dev;

	if (master->bus_num != bi->bus_num)
		return;
	dev = spi_new_device(master, bi);
	if (!dev)
		dev_err(master->dev.parent, "can't create new device for %s\n",
			bi->modalias);
}

可以看到，如果master->bus_num == bi->bus_num时，才会执行spi_new_device函数创建spi_device。
s3c2440有两个spi控制器，那么bus_num就有两个值：0和1，分别对应SPI0和SPI1。

上述函数中传递的第二个参数是spi_board_info结构体，那么我们就需要构造一个这样的结构体，这个结构体怎么构造呢？首先就要追溯到这个函数的上层函数spi_register_board_info中去，在source inside中按照上面讲的方法搜索该函数，则可以找出很多例子，下面是我仿照其他文件中的方式构造的：

只有下面这个程序是本节要单独编写的代码

路径：driver/spi/spi_info_jz2440.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <mach/regs-gpio.h>
#include <plat/gpio-cfg.h>

static struct spi_board_info spi_info_jz2440[] = {
	{
    	 .modalias = "oled",  
    	 .max_speed_hz = 10000000,	
    	 .bus_num = 1,     
    	 .mode    = SPI_MODE_0,
    	 .chip_select   = S3C2410_GPF(1), 
    	 //.platform_data = (const void *)S3C2410_GPG(4) ,
	 },
	 {
    	 .modalias = "w25q16",  
    	 .max_speed_hz = 80000000,	/* max spi clock (SCK) speed in HZ */
    	 .bus_num = 0,
    	 .mode    = SPI_MODE_0,
    	 .chip_select   = S3C2410_GPG(2), 
	 }
};

static int spi_info_jz2440_init(void)
{
    printk("spi_info_jz2440_init function..\n");
    return spi_register_board_info(spi_info_jz2440, ARRAY_SIZE(spi_info_jz2440));
}

module_init(spi_info_jz2440_init);

可以看到spi_board_info结构体中包含两项(也可以只构造一项)，每项都包含名字，最大时钟频率，总线编号，模式和片选等信息。

从名字可以看出，这个结构体主要和外设模块信息有关，它只规定这个外设模块使用多高的SPI时钟频率，接到那个SPI控制器上，片选用那个引脚，采用什么模式等。其实就是把外设模块的信息汇总抽象生成一个结构体，通过调用该结构体，来注册符合实际外设SPI模块的spi_device。

参考 宋宝华《Linux设备驱动开发详解–基于最新的Linux 4.0内核》 12.4.1节 P322中所述：

4) 板级逻辑。板级逻辑用来描述主机主机和外设是如何互联的，它相当于一个“路由表”。假设板子上由多个SPI控制器和多个SPI外设，那究竟谁接在谁上面？管理互联关系，既不是主机端的责任，也不是外设端的责任，这属于板级逻辑的责任。这部分通常出现在 arch/arm/mach-xxx 下面或者 arch/arm/boot/dts 下面。

下面看一下spi_register_board_info函数：
路径：drivers/spi/spi.c

int __devinit
spi_register_board_info(struct spi_board_info const *info, unsigned n)
{
	struct boardinfo *bi;
	int i;

	bi = kzalloc(n * sizeof(*bi), GFP_KERNEL);
	if (!bi)
		return -ENOMEM;

	for (i = 0; i < n; i++, bi++, info++) {
		struct spi_master *master;

		memcpy(&bi->board_info, info, sizeof(*info));		 //把info结构体的内容复制到 bi->board_info 里面
		mutex_lock(&board_lock);
		list_add_tail(&bi->list, &board_list);
		list_for_each_entry(master, &spi_master_list, list)
			spi_match_master_to_boardinfo(master, &bi->board_info);		//这个函数就是上面2.2节的贴出的第一个函数，现在调到这个函数的实体中去，在看一下
		mutex_unlock(&board_lock);
	}

	return 0;
}

分析玩上面函数以及注释后，可以大概得出这样一个流程：
如果spi_board_info结构体里面的bus_num和spi_master里面的bus_num相等的话，在spi_match_master_to_boardinfo函数中调用spi_new_device创建一个spi_device

在/sys/bus/spi/devices/文件夹里面可以看到spi_device的注册信息：

这个spi0.194和spi1.161的命名在spi_add_device函数里面：
路径：drivers/spi/spi.c第357-358行

dev_set_name(&spi->dev, "%s.%u", dev_name(&spi->master->dev),
			spi->chip_select);

可以看出，后面的数字是和chip_select有关，这里的chip_select是在spi_board_info里面定义的，通过%u的格式将其打印输出。回过头看spi_board_info结构体里面的chip_select：

static struct spi_board_info spi_info_jz2440[] = {
	{
		... ...
		 .bus_num		 = 1;
    	 .chip_select   = S3C2410_GPF(1), 		//%u 输出是 161
	 },
	 {
 		... ...
 		 .bus_num		 = 0;
    	 .chip_select   = S3C2410_GPG(2), 		//%u 输出是 194
	 }
};

就明白后面的数字是怎么回事了。

spi_board_info结构体里面的chip_select变量就是获取的该SPI控制器所调用的片选IO引脚
.chip_select = S3C2410_GPF(1)表示该SPI控制器选用GPF1作为CS引脚
.chip_select = S3C2410_GPG(2)表示该SPI控制器选用GPG2作为CS引脚
之前认为能作为SPI控制器的CS信号引脚的，一定是芯片级支持的，不是随便找一个IO的，但是实际测试发现，S3C2440这个板子可以使用任意一个引脚作为CS片选引脚，对于其他板子，不知道可不可以。

下面给出流程：

注：spi_register_board_info函数不能被编为模块，否则会出现

WARNING: "spi_register_board_info" [drivers/spi/spi_info_jz2440.ko] undefined!

原因就是内核没有将此函数导出来，导致该函数不可被外部程序所调用。

拓展：
为了能让函数在其他模块中使用，内核采用了以下方式修饰函数，这样即可将修饰后的函数供模块外使用。
EXPORT_SYMBOL(符号名);
EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名)

在内核文件driver/spi/spi.c中使用了大量的EXPORT_SYMBOL_GPL(spi_new_device)使得修饰后的函数供模块外程序调用。

参考资料：linux模块导出符号 EXPORT_SYMBOL_GPL EXPORT_SYMBOL

2.3 SPI的device和driver匹配

device 和 driver 在内核中分别注册后，若其下的name相同，则会调用 xxx_driver中的probe函数进行配对，使device和driver绑定在同一条总线上面

首先看以下spi_driver下的name字段
路径：drivers/char/w25q16_spi.c

static struct spi_driver w25q16_spi_driver =
{
    .driver     =
    {
        .name   = "w25q16",
        .owner  = THIS_MODULE,
    },
    .probe      = w25q16_bus_spi_probe,
    .remove     = __devexit_p(w25q16_bus_spi_remove),
};

在看以下spi_deivce下的name字段（由spi_board_info结构体提供）
路径：driver/spi/spi_info_jz2440.c

static struct spi_board_info spi_info_jz2440[] = {
	{
    	 .modalias = "oled",  
    	 .max_speed_hz = 10000000,	
    	 .bus_num = 1,     
    	 .mode    = SPI_MODE_0,
    	 .chip_select   = S3C2410_GPF(1), 
    	 //.platform_data = (const void *)S3C2410_GPG(4) ,
	 },
	 {
    	 .modalias = "w25q16",  
    	 .max_speed_hz = 80000000,	/* max spi clock (SCK) speed in HZ */
    	 .bus_num = 0,
    	 .mode    = SPI_MODE_0,
    	 .chip_select   = S3C2410_GPG(2), 
	 }
};

两者name字段都是"w25q16"。

故在driver和device在内核注册后可自动调用spi_driver的probe函数，其实体为w25q16_bus_spi_probe
路径：drivers/char/w25q16_spi.c

struct spi_device *spi_w25q16_pdev;

static int __devinit w25q16_bus_spi_probe(struct spi_device *spi)
{ 
    int ret,err;
    dev_t devid;
    spi_w25q16_pdev = spi;
    s3c2410_gpio_cfgpin(spi->chip_select, S3C2410_GPIO_OUTPUT);

    if(major) {
       devid = MKDEV(major, 0);
       ret = register_chrdev_region(devid, 1, DRV_NAME);
       printk(DRV_NAME "\tOrigin Creat node %d\n",major);
    } else {
        ret = alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, DRV_NAME);
        major = MAJOR(devid);
        printk(DRV_NAME "\tArrage Creat node %d\n",major);
    }
    if(ret < 0) {
        printk(DRV_NAME "\tnew device failed\n");
        //goto fail_malloc;
        return ret;
    }
    
    w25q16_pdev = kzalloc(sizeof(struct w25q16_dev_t), GFP_KERNEL);
    if(!w25q16_pdev) {
       ret = -ENOMEM;
       goto fail_malloc;
    }
    cdev_init(&w25q16_pdev->cdev, &w25q16_ops);
    err = cdev_add(&w25q16_pdev->cdev, devid, 1);
    if(err)
        printk(DRV_NAME "\tError %d adding w25q16 %d\n",err, 1);

    class = class_create(THIS_MODULE, "w25q16");
    device_create(class, NULL, MKDEV(major, minor), NULL, "w25q16");
    printk(DRV_NAME "\tcreat device node /dev/w25q16 \n");

    return 0;

fail_malloc:
    printk("Failed to allocate memory!\n");
    return ret;

}

spi_device和spi_driver匹配成功后，在probe函数内实现字符驱动的注册：

附spi_driver的注册程序：

static int __init w25q16_driver_init(void)
{
    int ret;
    printk("\n************ driver init begin ************\n\n");
    ret = spi_register_driver(&w25q16_spi_driver);
    if(ret)
    {
        spi_unregister_driver(&w25q16_spi_driver);
        printk(DRV_NAME "\tFailed register spi driver. Error: %d\n",ret);
    }
    printk("\n************* driver init end *************\n\n");
    return ret;
}

可以看出，一旦注册完spi_driver，那么就会自动寻找同名的spi_device，匹配完成后，则会自动执行probe函数。

至此，完成了spi_device和spi_driver的匹配注册。总体流程如下图：

附录：

spi_driver程序：https://github.com/wifialan/drivers/blob/master/w25q16_spi.c
spi_device程序：https://github.com/wifialan/drivers/blob/master/spi_info_jz2440.c

Linux SPI驱动学习——注册匹配

Linux SPI驱动学习——device、driver注册匹配

博客说明

开发环境

1. Linux SPI概述

1.1 SPI驱动框架

2. SPI 注册匹配

2.1 spi_drive注册

2.2 spi_device注册

只有下面这个程序是本节要单独编写的代码

2.3 SPI的device和driver匹配

附录：

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