一.SPI简介
SPI是许多不同设备使用的常见通信协议。例如，SD卡模块、RFID读卡器模块和2.4GHz无线发射机/接收器均使用SPI与微控制器进行通信。
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI的一个独特好处是数据可以不间断地传输。任何数量的位都可以在连续流中发送或接收。使用I2C和UART，数据以数据包方式发送，仅限于特定数量的位。启动和停止条件定义每个数据包的开始和结束，因此数据在传输过程中中断。
通过SPI通信的设备处于主从关系中。主机是控制装置（通常是微控制器)，而从机(通常是传感器、显示器或内存芯片）接受主机的指令。SPI最简单的配置是单主机、单从机系统，但一个主机可以控制多个从机。
MOSI（主机输出/从机输入）——主机向从机发送数据的线
MISO（主机输入/从机输出）——从机向主机发送数据的线
SCLK（时钟）——时钟信号线
SS/CS（从机选择/芯片选择）——用于主机选择给哪个从机发送数据的线
二.SPI的工作原理
时钟：
时钟是一个振荡信号，它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度由时钟信号的频率决定。SPI通信始终由主发起，并由主机配置和产生时钟信号。
设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步通信协议。SPI是一种同步通信协议。也有不使用时钟信号的异步方法。例如，在 UART通信中，双方被设置为预先配置的波特速率，该速率和时间决定数据传输的速度和时间。
从机选择：
主机可以通过将从机的CS/SS线设置为低电平来选择它想与哪个从机通信。在闲置、非传输状态下，从机选择线保持在高压水平。主机上如果可以提供多个CS/SS 引脚，允许多个从机并行连接。如果只有一个CS/SS 引脚存在，多个从机可以通过菊花链的形式连接到主机。
SPI数据传输原理：
主机输出时钟信号：
主机拉低SS/CS片选信号，激活对应从机：
主机通过MOSI线发送数据给从机，一次发送一位，从机读取收到的数据位：
如果需要响应，从机则通过MISO线返回数据，一次发送一位，主机读取收到的数据位：
三.SPI陀螺仪设备驱动
陀螺仪原理：
角速度计
在三轴角速度计中，这三个轴通常表示物体绕空间中的三个互相垂直的轴旋转的角速度。具体定义如下：
- X轴（Roll轴）： 绕X轴的旋转产生的角速度。
- Y轴（Pitch轴）： 绕Y轴的旋转产生的角速度。
- Z轴（Yaw轴）： 绕Z轴的旋转产生的角速度。
加速度计
在三轴加速度计中，同样是以X轴、Y轴和Z轴为基准，表示物体在空间中的三个方向上的加速度。具体定义如下：
- X轴： 物体在X轴方向上的加速度。
- Y轴： 物体在Y轴方向上的加速度。
- Z轴： 物体在Z轴方向上的加速度。
spi_driver 结构体：
Linux 内核使用 spi_driver 结构体来表示 spi 设备驱 动，我们在编写 SPI 设备驱动的时候需要实 现 spi_driver 。spi_driver 结构体定义在 include/linux/spi/spi.h 文件中，结构体内容如下：
struct spi_driver {
const struct spi_device_id *id_table;
int (*probe)(struct spi_device *spi);
int (*remove)(struct spi_device *spi);
void (*shutdown)(struct spi_device *spi);
struct device_driver driver;
};
spi_driver 注册函数为 spi_register_driver，函数原型如下：
int spi_register_driver(struct spi_driver *sdrv)
sdrv：要注册的 spi_driver。 返回值：0，注册成功；赋值，注册失败。
spi_unregister_driver 函 数完成 spi_driver 的注销，函数原型如下：
void spi_unregister_driver(struct spi_driver *sdrv)
sdrv：要注销的 spi_driver。返回值：无。
ICM20608陀螺仪驱动：
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include "icm20608reg.h"
#define ICM20608_CNT 1
#define ICM20608_NAME "icm20608"
struct icm20608_dev {
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
struct device_node *nd; /* 设备节点 */
int major; /* 主设备号 */
void *private_data; /* 私有数据 */
signed int gyro_x_adc; /* 陀螺仪X轴原始值 */
signed int gyro_y_adc; /* 陀螺仪Y轴原始值 */
signed int gyro_z_adc; /* 陀螺仪Z轴原始值 */
signed int accel_x_adc; /* 加速度计X轴原始值 */
signed int accel_y_adc; /* 加速度计Y轴原始值 */
signed int accel_z_adc; /* 加速度计Z轴原始值 */
signed int temp_adc; /* 温度原始值 */
};
static struct icm20608_dev icm20608dev;
/*
* @description : 从icm20608读取多个寄存器数据
* @param - dev: icm20608设备
* @param - reg: 要读取的寄存器首地址
* @param - val: 读取到的数据
* @param - len: 要读取的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static int icm20608_read_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, void *buf, int len)
{
int ret = -1;
unsigned char txdata[1];
unsigned char * rxdata;
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL); /* 申请内存 */
if(!t) {
return -ENOMEM;
}
rxdata = kzalloc(sizeof(char) * len, GFP_KERNEL); /* 申请内存 */
if(!rxdata) {
goto out1;
}
/* 一共发送len+1个字节的数据，第一个字节为
寄存器首地址，一共要读取len个字节长度的数据，*/
txdata[0] = reg | 0x80; /* 写数据的时候首寄存器地址bit8要置1 */
t->tx_buf = txdata; /* 要发送的数据 */
t->rx_buf = rxdata; /* 要读取的数据 */
t->len = len+1; /* t->len=发送的长度+读取的长度 */
spi_message_init(&m); /* 初始化spi_message */
spi_message_add_tail(t, &m);/* 将spi_transfer添加到spi_message队列 */
ret = spi_sync(spi, &m); /* 同步发送 */
if(ret) {
goto out2;
}
memcpy(buf , rxdata+1, len); /* 只需要读取的数据 */
out2:
kfree(rxdata); /* 释放内存 */
out1:
kfree(t); /* 释放内存 */
return ret;
}
/*
* @description : 向icm20608多个寄存器写入数据
* @param - dev: icm20608设备
* @param - reg: 要写入的寄存器首地址
* @param - val: 要写入的数据缓冲区
* @param - len: 要写入的数据长度
* @return : 操作结果
*/
static s32 icm20608_write_regs(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, u8 *buf, u8 len)
{
int ret = -1;
unsigned char *txdata;
struct spi_message m;
struct spi_transfer *t;
struct spi_device *spi = (struct spi_device *)dev->private_data;
t = kzalloc(sizeof(struct spi_transfer), GFP_KERNEL); /* 申请内存 */
if(!t) {
return -ENOMEM;
}
txdata = kzalloc(sizeof(char)+len, GFP_KERNEL);
if(!txdata) {
goto out1;
}
/* 一共发送len+1个字节的数据，第一个字节为
寄存器首地址，len为要写入的寄存器的集合，*/
*txdata = reg & ~0x80; /* 写数据的时候首寄存器地址bit8要清零 */
memcpy(txdata+1, buf, len); /* 把len个寄存器拷贝到txdata里，等待发送 */
t->tx_buf = txdata; /* 要发送的数据 */
t->len = len+1; /* t->len=发送的长度+读取的长度 */
spi_message_init(&m); /* 初始化spi_message */
spi_message_add_tail(t, &m);/* 将spi_transfer添加到spi_message队列 */
ret = spi_sync(spi, &m); /* 同步发送 */
if(ret) {
goto out2;
}
out2:
kfree(txdata); /* 释放内存 */
out1:
kfree(t); /* 释放内存 */
return ret;
}
/*
* @description : 读取icm20608指定寄存器值，读取一个寄存器
* @param - dev: icm20608设备
* @param - reg: 要读取的寄存器
* @return : 读取到的寄存器值
*/
static unsigned char icm20608_read_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg)
{
u8 data = 0;
icm20608_read_regs(dev, reg, &data, 1);
return data;
}
/*
* @description : 向icm20608指定寄存器写入指定的值，写一个寄存器
* @param - dev: icm20608设备
* @param - reg: 要写的寄存器
* @param - data: 要写入的值
* @return : 无
*/
static void icm20608_write_onereg(struct icm20608_dev *dev, u8 reg, u8 value)
{
u8 buf = value;
icm20608_write_regs(dev, reg, &buf, 1);
}
/*
* @description : 读取ICM20608的数据，读取原始数据，包括三轴陀螺仪、
* : 三轴加速度计和内部温度。
* @param - dev : ICM20608设备
* @return : 无。
*/
void icm20608_readdata(struct icm20608_dev *dev)
{
unsigned char data[14] = { 0 };
icm20608_read_regs(dev, ICM20_ACCEL_XOUT_H, data, 14);
dev->accel_x_adc = (signed short)((data[0] << 8) | data[1]);
dev->accel_y_adc = (signed short)((data[2] << 8) | data[3]);
dev->accel_z_adc = (signed short)((data[4] << 8) | data[5]);
dev->temp_adc = (signed short)((data[6] << 8) | data[7]);
dev->gyro_x_adc = (signed short)((data[8] << 8) | data[9]);
dev->gyro_y_adc = (signed short)((data[10] << 8) | data[11]);
dev->gyro_z_adc = (signed short)((data[12] << 8) | data[13]);
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做pr似有ate_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data似有向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int icm20608_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &icm20608dev; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t icm20608_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off)
{
signed int data[7];
long err = 0;
struct icm20608_dev *dev = (struct icm20608_dev *)filp->private_data;
icm20608_readdata(dev);
data[0] = dev->gyro_x_adc;
data[1] = dev->gyro_y_adc;
data[2] = dev->gyro_z_adc;
data[3] = dev->accel_x_adc;
data[4] = dev->accel_y_adc;
data[5] = dev->accel_z_adc;
data[6] = dev->temp_adc;
err = copy_to_user(buf, data, sizeof(data));
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int icm20608_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/* icm20608操作函数 */
static const struct file_operations icm20608_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = icm20608_open,
.read = icm20608_read,
.release = icm20608_release,
};
/*
* ICM20608内部寄存器初始化函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
void icm20608_reginit(void)
{
u8 value = 0;
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x80);
mdelay(50);
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_1, 0x01);
mdelay(50);
value = icm20608_read_onereg(&icm20608dev, ICM20_WHO_AM_I);
printk("ICM20608 ID = %#X\r\n", value);
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_SMPLRT_DIV, 0x00); /* 输出速率是内部采样率 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_GYRO_CONFIG, 0x18); /* 陀螺仪±2000dps量程 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG, 0x18); /* 加速度计±16G量程 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_CONFIG, 0x04); /* 陀螺仪低通滤波BW=20Hz */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_ACCEL_CONFIG2, 0x04); /* 加速度计低通滤波BW=21.2Hz */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_PWR_MGMT_2, 0x00); /* 打开加速度计和陀螺仪所有轴 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_LP_MODE_CFG, 0x00); /* 关闭低功耗 */
icm20608_write_onereg(&icm20608dev, ICM20_FIFO_EN, 0x00); /* 关闭FIFO */
}
/*
* @description : spi驱动的probe函数，当驱动与
* 设备匹配以后此函数就会执行
* @param - client : i2c设备
* @param - id : i2c设备ID
*
*/
static int icm20608_probe(struct spi_device *spi)
{
/* 1、构建设备号 */
if (icm20608dev.major) {
icm20608dev.devid = MKDEV(icm20608dev.major, 0);
register_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT, ICM20608_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&icm20608dev.devid, 0, ICM20608_CNT, ICM20608_NAME);
icm20608dev.major = MAJOR(icm20608dev.devid);
}
/* 2、注册设备 */
cdev_init(&icm20608dev.cdev, &icm20608_ops);
cdev_add(&icm20608dev.cdev, icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
/* 3、创建类 */
icm20608dev.class = class_create(THIS_MODULE, ICM20608_NAME);
if (IS_ERR(icm20608dev.class)) {
return PTR_ERR(icm20608dev.class);
}
/* 4、创建设备 */
icm20608dev.device = device_create(icm20608dev.class, NULL, icm20608dev.devid, NULL, ICM20608_NAME);
if (IS_ERR(icm20608dev.device)) {
return PTR_ERR(icm20608dev.device);
}
/*初始化spi_device */
spi->mode = SPI_MODE_0; /*MODE0，CPOL=0，CPHA=0*/
spi_setup(spi);
icm20608dev.private_data = spi; /* 设置私有数据 */
/* 初始化ICM20608内部寄存器 */
icm20608_reginit();
return 0;
}
/*
* @description : i2c驱动的remove函数，移除i2c驱动的时候此函数会执行
* @param - client : i2c设备
* @return : 0，成功;其他负值,失败
*/
static int icm20608_remove(struct spi_device *spi)
{
/* 删除设备 */
cdev_del(&icm20608dev.cdev);
unregister_chrdev_region(icm20608dev.devid, ICM20608_CNT);
/* 注销掉类和设备 */
device_destroy(icm20608dev.class, icm20608dev.devid);
class_destroy(icm20608dev.class);
return 0;
}
/* 传统匹配方式ID列表 */
static const struct spi_device_id icm20608_id[] = {
{"alientek,icm20608", 0},
{}
};
/* 设备树匹配列表 */
static const struct of_device_id icm20608_of_match[] = {
{ .compatible = "alientek,icm20608" },
{ /* Sentinel */ }
};
/* SPI驱动结构体 */
static struct spi_driver icm20608_driver = {
.probe = icm20608_probe,
.remove = icm20608_remove,
.driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "icm20608",
.of_match_table = icm20608_of_match,
},
.id_table = icm20608_id,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init icm20608_init(void)
{
return spi_register_driver(&icm20608_driver);
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit icm20608_exit(void)
{
spi_unregister_driver(&icm20608_driver);
}
module_init(icm20608_init);
module_exit(icm20608_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
#ifndef ICM20608_H
#define ICM20608_H
#define ICM20608G_ID 0XAF /* ID值 */
#define ICM20608D_ID 0XAE /* ID值 */
/* ICM20608寄存器
*复位后所有寄存器地址都为0，除了
*Register 107(0X6B) Power Management 1 = 0x40
*Register 117(0X75) WHO_AM_I = 0xAF或0xAE
*/
/* 陀螺仪和加速度自测(出产时设置，用于与用户的自检输出值比较） */
#define ICM20_SELF_TEST_X_GYRO 0x00
#define ICM20_SELF_TEST_Y_GYRO 0x01
#define ICM20_SELF_TEST_Z_GYRO 0x02
#define ICM20_SELF_TEST_X_ACCEL 0x0D
#define ICM20_SELF_TEST_Y_ACCEL 0x0E
#define ICM20_SELF_TEST_Z_ACCEL 0x0F
/* 陀螺仪静态偏移 */
#define ICM20_XG_OFFS_USRH 0x13
#define ICM20_XG_OFFS_USRL 0x14
#define ICM20_YG_OFFS_USRH 0x15
#define ICM20_YG_OFFS_USRL 0x16
#define ICM20_ZG_OFFS_USRH 0x17
#define ICM20_ZG_OFFS_USRL 0x18
#define ICM20_SMPLRT_DIV 0x19
#define ICM20_CONFIG 0x1A
#define ICM20_GYRO_CONFIG 0x1B
#define ICM20_ACCEL_CONFIG 0x1C
#define ICM20_ACCEL_CONFIG2 0x1D
#define ICM20_LP_MODE_CFG 0x1E
#define ICM20_ACCEL_WOM_THR 0x1F
#define ICM20_FIFO_EN 0x23
#define ICM20_FSYNC_INT 0x36
#define ICM20_INT_PIN_CFG 0x37
#define ICM20_INT_ENABLE 0x38
#define ICM20_INT_STATUS 0x3A
/* 加速度输出 */
#define ICM20_ACCEL_XOUT_H 0x3B
#define ICM20_ACCEL_XOUT_L 0x3C
#define ICM20_ACCEL_YOUT_H 0x3D
#define ICM20_ACCEL_YOUT_L 0x3E
#define ICM20_ACCEL_ZOUT_H 0x3F
#define ICM20_ACCEL_ZOUT_L 0x40
/* 温度输出 */
#define ICM20_TEMP_OUT_H 0x41
#define ICM20_TEMP_OUT_L 0x42
/* 陀螺仪输出 */
#define ICM20_GYRO_XOUT_H 0x43
#define ICM20_GYRO_XOUT_L 0x44
#define ICM20_GYRO_YOUT_H 0x45
#define ICM20_GYRO_YOUT_L 0x46
#define ICM20_GYRO_ZOUT_H 0x47
#define ICM20_GYRO_ZOUT_L 0x48
#define ICM20_SIGNAL_PATH_RESET 0x68
#define ICM20_ACCEL_INTEL_CTRL 0x69
#define ICM20_USER_CTRL 0x6A
#define ICM20_PWR_MGMT_1 0x6B
#define ICM20_PWR_MGMT_2 0x6C
#define ICM20_FIFO_COUNTH 0x72
#define ICM20_FIFO_COUNTL 0x73
#define ICM20_FIFO_R_W 0x74
#define ICM20_WHO_AM_I 0x75
/* 加速度静态偏移 */
#define ICM20_XA_OFFSET_H 0x77
#define ICM20_XA_OFFSET_L 0x78
#define ICM20_YA_OFFSET_H 0x7A
#define ICM20_YA_OFFSET_L 0x7B
#define ICM20_ZA_OFFSET_H 0x7D
#define ICM20_ZA_OFFSET_L 0x7E
#endif
应用编程测试：
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "sys/ioctl.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include <poll.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
char *filename;
signed int databuf[7];
unsigned char data[14];
signed int gyro_x_adc, gyro_y_adc, gyro_z_adc;
signed int accel_x_adc, accel_y_adc, accel_z_adc;
signed int temp_adc;
float gyro_x_act, gyro_y_act, gyro_z_act;
float accel_x_act, accel_y_act, accel_z_act;
float temp_act;
int ret = 0;
if (argc != 2) {
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0) {
printf("can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
while (1) {
ret = read(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(ret == 0) { /* 数据读取成功 */
gyro_x_adc = databuf[0];
gyro_y_adc = databuf[1];
gyro_z_adc = databuf[2];
accel_x_adc = databuf[3];
accel_y_adc = databuf[4];
accel_z_adc = databuf[5];
temp_adc = databuf[6];
/* 计算实际值 */
gyro_x_act = (float)(gyro_x_adc) / 16.4;
gyro_y_act = (float)(gyro_y_adc) / 16.4;
gyro_z_act = (float)(gyro_z_adc) / 16.4;
accel_x_act = (float)(accel_x_adc) / 2048;
accel_y_act = (float)(accel_y_adc) / 2048;
accel_z_act = (float)(accel_z_adc) / 2048;
temp_act = ((float)(temp_adc) - 25 ) / 326.8 + 25;
printf("\r\n原始值:\r\n");
printf("gx = %d, gy = %d, gz = %d\r\n", gyro_x_adc, gyro_y_adc, gyro_z_adc);
printf("ax = %d, ay = %d, az = %d\r\n", accel_x_adc, accel_y_adc, accel_z_adc);
printf("temp = %d\r\n", temp_adc);
printf("实际值:");
printf("act gx = %.2f°/S, act gy = %.2f°/S, act gz = %.2f°/S\r\n", gyro_x_act, gyro_y_act, gyro_z_act);
printf("act ax = %.2fg, act ay = %.2fg, act az = %.2fg\r\n", accel_x_act, accel_y_act, accel_z_act);
printf("act temp = %.2f°C\r\n", temp_act);
}
usleep(100000); /*100ms */
}
close(fd); /* 关闭文件 */
return 0;
}
