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作者：北京工業大學 集成電路與系統基礎實驗室 李琦；賀明；董利民；董健
在嵌入式開發過程中，許多系統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設備在數據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，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ARM與設備之間的通信。
1 硬件說明
1.1 S3C2440開發平臺
采用三星公司的SoC芯片S3C2440［4］作為核心處理器，主頻為400 MHz，并與64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash共同組成核心部分。此外，該平臺也為用戶提供了大量的通信、顯示、調試以及I/O接口。為滿足設計需要，將Linux2.6.28版內核移植于該平臺上。
1.2 SPI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送和接收數據，并兼容SPI ver.2.11協議，支持8位邏輯預分頻，系統可用polling、中斷、DMA三種方式判斷SPI發送及接收狀態。此SPI模塊共包含以下信號線［5］：
（1）SCK：數據同步時鐘信號，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送數據。
?。?）nCS（由用戶指定GPIO）：從設備選擇信號線（SlaveSelect，SS）由主設備發出，用來選擇激活某個從設備，低電平有效。
?。?）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。
?。?）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。
?。?）/SS（nSS）：多主錯誤檢測。
2 Linux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。用戶操作可通過一組標準化的調用來執行，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據拷貝至內核緩沖區，控制本地主SPI發送數據至從SPI寄存器中。讀操作將按照用戶要求讀取的字節數，連續讀取本地主SPI中接收到的數據，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SPI數據是否發送完畢，即當SPI硬件模塊每發送完畢一個數據，都會通過中斷線向系統發起中斷，系統響應中斷后，驅動程序將調用中斷處理例程。
2.1 SPI初始化
?。?）申請中斷。此驅動設計通過中斷判斷數據是否發送完畢，所以需要申請SPI0相關的中斷，并注冊相應的中斷處理函數。此驅動程序的中斷處理函數聲明如下：
static irqreturn_t s3c2440_isr_spi（int irq，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：
request_irq（IRQ_SPI0，s3c2440_isr_spi，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME，s3c2440_isr_spi）；
?。?）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大小的內存區域，此后將其移至內核空間。
?。?）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“SPCON initializen”）；
__raw_writel（（S3C2440_SPPIN_ENMUL | S3C2440_SPPIN_KEEP），s3c2440_SPPIN）；
DPRINTK（DEVICE_NAME“SPPIN initializen”）；
__raw_writel（0x07，s3c2440_SPPRE）；
DPRINTK（DEVICE_NAME“SPPRE initializen”）；
?。?）初始化發送和接收數據緩沖區。數據緩沖區使用環形緩沖區結構，通過頭尾指針的循環移動，實現對緩沖區的動態管理。其定義如下：
typedef struct
{
spi_buf buf［MAX_SPI_BUF］；
unsigned int head， tail；
wait_queue_head_t wq；
}SPI_BUF； static SPI_BUF spi_Tx_buf；static SPI_BUF spi_Rec_buf；
其中spi_buf表示char型，MAX_SPI_BUF為緩沖區大小，設為1 024 B。head、tail分別表示頭尾數組下標，wq為等待隊列頭。此結構依靠以下宏進行管理：
#define SPI_Tx_BUF_HEAD（spi_Tx_buf.buf［spi_Tx_buf.head］）
#define SPI_Tx_BUF_TAIL（spi_Tx_buf.buf［spi_Tx_buf.tail］）
#define INCBUF（x，mod）（（++（x））&（（mod）-1））
前兩個宏用于引用緩沖區中的元素，最后一個宏用于對頭尾下標進行前移，并保證頭尾下標數值可循環變化，不發生溢出。
在初始化時，分別對接收和發送緩沖區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；
?。?）內核機制相關的數據結構初始化。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。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）；
?。?）初始化相應端口。根據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
?。⊿3C2440_GPE12，S3C2440_GPE12_SPIMOSI0）；
s3c2440_gpio_cfgpin
（S3C2440_GPE13，S3C2440_GPE13_SPICLK0）；
s3c2440_gpio_cfgpin
?。⊿3C2440_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）；
2.2 SPI寫操作
寫操作主要是將上層應用部分的用戶空間中的數據拷貝到內核空間中的環形緩沖區中，此后將緩沖區的數據送到SPI發送寄存器中，在SPI發送完一個數據后，系統產生中斷，中斷例程中的下半部將調用tasklet判斷緩沖區狀態。若緩沖區中有相應的空間，可以將下一數據填入SPI發送寄存器中，直至將緩沖區數據全部發送完畢。
本設計的寫操作實現了環形緩沖區的動態管理，即在緩沖區刪除數據、尾指針前移的情況下，允許向緩沖區添加數據，頭指針前移。此設計可以使用戶空間任務與內核空間的數據發送同時進行，提高了用戶空間任務執行效率，并且當利用copy_from_user函數將數據從用戶空間拷貝至內核空間時，數據發送仍在進行，即數據從用戶空間至內核空間拷貝過程與數據發送過程并發，提高了驅動程序效率。
為了實現環形緩沖區動態管理，定義了copy_to_Tx_buf_init和copy_to_Tx_buf兩個函數完成數據向緩沖區的復制操作。
?。?）copy_to_Tx_buf_init函數。本函數主要用于兩種情況：
?、偃绻彌_區為空，當有一組數據到來且此數據的大小小于緩沖區的空間大小時，直接將此數據放到緩沖區中。
?、谌绻l送數據的大小大于剩余緩沖區的空間，則只復制緩沖區大小的數據到緩沖區。
緩沖區滿，該進程進行睡眠操作，直到緩沖區所有數據發送完畢，緩沖區再次為空，當前進程被喚醒，將此組用戶數據的未發送部分復制到緩沖區，繼續發送。
（2）copy_to_Tx_buf函數。此函數主要用于緩沖區正在發送且未發送完畢的情況，將新一組用戶數據copy至緩沖區。首先計算緩沖區剩余空間，若剩余空間大于本組用戶數據大小，則直接將用戶數據全部copy至緩沖區；若剩余空間小于本組數據大小，則copy與剩余空間大小相同的用戶數據至緩沖區。
寫操作的具體流程如圖1所示，首先用戶數據從空間態轉換到內核態，并設置相應的接收標志位。此后判斷數據大小。若數據大于緩沖區空間，數據發生溢出，寫操作結束；若沒有溢出，為了保證進程間的數據，使得該進程獲得自旋鎖，此時判斷緩沖區是否為空。根據上面兩個函數的介紹，在不同情況下分別調用不同的函數，在數據寫入環形緩沖區后，將數據發送到SPI的發送寄存器。當SPI發送寄存器發送數據時，環形緩沖區依舊接收數據，如果此時緩沖區為滿，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，直到發送寄存器中的數據發送完畢，再喚醒進程，判斷數據是否全部發送完畢。若仍有數據等待發送，則調用copy_to_Tx_buf_int；若數據已全部發送完畢，則寫操作結束。若緩沖區不為滿，則判斷數據是否發送完畢。數據全部發送完畢，發送操作結束。
2.3 SPI讀操作
讀操作是連續讀取主SPI發送到從SPI的接收緩沖區中的數據，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送狀態，則將發送進程等待標志位（wait_Tx_done）置1，讀進程進入休眠狀態即放入等待隊列中，等待中斷處理函數中相關發送程序喚醒。若操作標志位不為1，讀進程首先獲得自旋鎖，判斷數據大小。若數據大小不為0且不超過緩沖區大小，則按照S3C2440接收數據的要求，向SPI發送寄存器寫入第一個dummy數據（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據已發送至接收緩沖區后，由中斷處理函數喚醒該進程，最后將接收區中的數據放到臨時接收緩存中，以便于其他操作讀取。
3 SPI驅動程序測試
SPI驅動程序主要通過調用寫操作，使SPI連續發送數據0x55，此后再調用SPI讀操作，將MISO上的串行數據讀入用戶緩沖區，并與實際數據進行比較。圖3為示波器測試MOSI引腳波形。圖中波形1為SCK信號，ARM系統時鐘為40 MHz，SPI的SCK信號為系統時鐘的256分頻，約為156 kHz；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。
工商網監
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