spi 收发流程

news2025/11/1 6:40:58

patch日期

收发流程的重大修改，来源于2012年的如下补丁

内核提交收发流程的patch

spi: create a message queueing infrastructure - kernel/git/stable/linux.git - Linux kernel stable tree

源代码路径及功能

源码作用
\drivers\spi\spi.cspi 通用接口，包括发送，队列管理等。核心文件
\drivers\mtd\devices\m25p80.c具体flash驱动，由此驱动进行SPI协议的组装，并通过spi.c的接口将数据下发
  drivers\spi\spidev.c     
 		通用spi设备驱动，即直接将用户发送的数据通过spi.c中的接口发送。具体发送的命令字构成由用户填写。
\drivers\spi\spi-dw.c具体控制器的驱动，实现对控制器硬件的访问控制

kthread_queue_work

 kthread_worker 和 kthread_work

    

  两者关系：kworker  类似任务容器；而kwork是具体的任务。

 kthread_worker 的初始化

        

代码来源： spi_init_queue（spi.c）

kthread_init_worker(&ctlr->kworker);
	ctlr->kworker_task = kthread_run(kthread_worker_fn, &ctlr->kworker,
					 "%s", dev_name(&ctlr->dev));

 可以看出worker本质上即为一个内核线程，线程采用的参数为kworker这个结构体，即容器。那就可以猜测，这个线程worker_fn的功能，就是检测kworker这个容器中是否由work，如果有，则进行处理。

问题： 这个线程的调度策略及优先级是怎么样的？

kthread_worker 的优先级

代码来源： spi_init_queue（spi.c）

struct sched_param param = { .sched_priority = MAX_RT_PRIO - 1 };
	/*
	 * Controller config will indicate if this controller should run the
	 * message pump with high (realtime) priority to reduce the transfer
	 * latency on the bus by minimising the delay between a transfer
	 * request and the scheduling of the message pump thread. Without this
	 * setting the message pump thread will remain at default priority.
	 */
	if (ctlr->rt) {
		dev_info(&ctlr->dev,
			"will run message pump with realtime priority\n");
		sched_setscheduler(ctlr->kworker_task, SCHED_FIFO, &param);
	}

这里设置的调度策略为FIFO。

kthread_work的初始化

代码来源： spi_init_queue（spi.c）

	kthread_init_work(&ctlr->pump_messages, spi_pump_messages);

  

struct kthread_worker		kworker;
	struct task_struct		*kworker_task;
	struct kthread_work		pump_messages;

即将 work的功能函数设置为 spi_pump_messages.

kthread_work的执行

kthread_queue_work(&ctlr->kworker, &ctlr->pump_messages);
if (!worker->current_work && likely(worker->task))
		wake_up_process(worker->task)

 将work加入到 worker中，并唤醒worker这个线程。当worker为空，即没有work要处理时，则worker休眠。

总体上讲，从字面意思，worker是干活的人，work是活，有活就唤醒干活的人，没活干活的人就休息。

消息队列

    

  

发送流程

  数据的传输载体

 struct spi_message 与 struct spi_transfer

fmsh\include\linux\spi\spi.h

 核心数据结构，用于表示一次数据的传输


/**
 * struct spi_message - one multi-segment SPI transaction
 * @transfers: list of transfer segments in this transaction
 * @spi: SPI device to which the transaction is queued
 * @is_dma_mapped: if true, the caller provided both dma and cpu virtual
 *	addresses for each transfer buffer
 * @complete: called to report transaction completions
 * @context: the argument to complete() when it's called
 * @frame_length: the total number of bytes in the message
 * @actual_length: the total number of bytes that were transferred in all
 *	successful segments
 * @status: zero for success, else negative errno
 * @queue: for use by whichever driver currently owns the message
 * @state: for use by whichever driver currently owns the message
 * @resources: for resource management when the spi message is processed
 *
 * A @spi_message is used to execute an atomic sequence of data transfers,
 * each represented by a struct spi_transfer.  The sequence is "atomic"
 * in the sense that no other spi_message may use that SPI bus until that
 * sequence completes.  On some systems, many such sequences can execute as
 * as single programmed DMA transfer.  On all systems, these messages are
 * queued, and might complete after transactions to other devices.  Messages
 * sent to a given spi_device are always executed in FIFO order.
 *
 * The code that submits an spi_message (and its spi_transfers)
 * to the lower layers is responsible for managing its memory.
 * Zero-initialize every field you don't set up explicitly, to
 * insulate against future API updates.  After you submit a message
 * and its transfers, ignore them until its completion callback.
 */
struct spi_message {
	struct list_head	transfers;

	struct spi_device	*spi;

	unsigned		is_dma_mapped:1;

	/* REVISIT:  we might want a flag affecting the behavior of the
	 * last transfer ... allowing things like "read 16 bit length L"
	 * immediately followed by "read L bytes".  Basically imposing
	 * a specific message scheduling algorithm.
	 *
	 * Some controller drivers (message-at-a-time queue processing)
	 * could provide that as their default scheduling algorithm.  But
	 * others (with multi-message pipelines) could need a flag to
	 * tell them about such special cases.
	 */

	/* completion is reported through a callback */
	void			(*complete)(void *context);
	void			*context;
	unsigned		frame_length;
	unsigned		actual_length;
	int			status;

	/* for optional use by whatever driver currently owns the
	 * spi_message ...  between calls to spi_async and then later
	 * complete(), that's the spi_controller controller driver.
	 */
	struct list_head	queue;
	void			*state;

	/* list of spi_res reources when the spi message is processed */
	struct list_head        resources;
};

 

      一个transfer即一次硬件的命令字及数据的传输过程；

    一个message则包含多个transfer

将数据发送到控制器的队列--spi_sync

当flash驱动准备好数据，完成message 数据部分的初始化后，就调用此接口将数据传递给控制器的队列。

__spi_sync


static int __spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *message)
{
	DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done);
	int status;
	struct spi_controller *ctlr = spi->controller;
	unsigned long flags;

	status = __spi_validate(spi, message);
	if (status != 0)
		return status;

	message->complete = spi_complete;
	message->context = &done;
	message->spi = spi;

	SPI_STATISTICS_INCREMENT_FIELD(&ctlr->statistics, spi_sync);
	SPI_STATISTICS_INCREMENT_FIELD(&spi->statistics, spi_sync);

	/* If we're not using the legacy transfer method then we will
	 * try to transfer in the calling context so special case.
	 * This code would be less tricky if we could remove the
	 * support for driver implemented message queues.
	 */
	if (ctlr->transfer == spi_queued_transfer) {
		spin_lock_irqsave(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);

		trace_spi_message_submit(message);

		status = __spi_queued_transfer(spi, message, false);

		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);
	} else {
		status = spi_async_locked(spi, message);
	}

	if (status == 0) {
		/* Push out the messages in the calling context if we
		 * can.
		 */
		if (ctlr->transfer == spi_queued_transfer) {
			SPI_STATISTICS_INCREMENT_FIELD(&ctlr->statistics,
						       spi_sync_immediate);
			SPI_STATISTICS_INCREMENT_FIELD(&spi->statistics,
						       spi_sync_immediate);
			__spi_pump_messages(ctlr, false);
		}

		wait_for_completion(&done);
		status = message->status;
	}
	message->context = NULL;
	return status;
}

  这里主要注意3点：

 1） status = __spi_queued_transfer(spi, message, false);时，第二个参数为flase，也就是说，此处仅仅是将message 放入到ctrl的queue中，并不会唤醒 kthead worker开始正式的下发数据。此接口在用户进程上下文中。最终变成如下图，一个ctrl queue里面有了多个message，处于待发送状态。

2） __spi_pump_messages(ctlr, false); ，第二个参数也为false，在此时才会唤醒kthread worker干活。

3） 将message放入队列后，接口调用并没有立即返回，而是调用如下接口，等待完成。

wait_for_completion(&done);

往硬件发送数据__spi_pump_messages 

此函数的调用处有两个：

1） 上一节描述的调用进程的上下文。

2） work的工作函数。


/**
 * __spi_pump_messages - function which processes spi message queue
 * @ctlr: controller to process queue for
 * @in_kthread: true if we are in the context of the message pump thread
 *
 * This function checks if there is any spi message in the queue that
 * needs processing and if so call out to the driver to initialize hardware
 * and transfer each message.
 *
 * Note that it is called both from the kthread itself and also from
 * inside spi_sync(); the queue extraction handling at the top of the
 * function should deal with this safely.
 */
static void __spi_pump_messages(struct spi_controller *ctlr, bool in_kthread)
{
	unsigned long flags;
	bool was_busy = false;
	int ret;

	/* Lock queue */
	spin_lock_irqsave(&ctlr->queue_lock, flags);

	/* Make sure we are not already running a message */
	if (ctlr->cur_msg) {
		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);
		return;
	}

	/* If another context is idling the device then defer */
	if (ctlr->idling) {
		kthread_queue_work(&ctlr->kworker, &ctlr->pump_messages);
		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);
		return;
	}

	/* Check if the queue is idle */
	if (list_empty(&ctlr->queue) || !ctlr->running) {
		if (!ctlr->busy) {
			spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);
			return;
		}

		/* Only do teardown in the thread */
		if (!in_kthread) {
			kthread_queue_work(&ctlr->kworker,
					   &ctlr->pump_messages);
			spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);
			return;
		}

		ctlr->busy = false;
		ctlr->idling = true;
		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);

		kfree(ctlr->dummy_rx);
		ctlr->dummy_rx = NULL;
		kfree(ctlr->dummy_tx);
		ctlr->dummy_tx = NULL;
		if (ctlr->unprepare_transfer_hardware &&
		    ctlr->unprepare_transfer_hardware(ctlr))
			dev_err(&ctlr->dev,
				"failed to unprepare transfer hardware\n");
		if (ctlr->auto_runtime_pm) {
			pm_runtime_mark_last_busy(ctlr->dev.parent);
			pm_runtime_put_autosuspend(ctlr->dev.parent);
		}
		trace_spi_controller_idle(ctlr);

		spin_lock_irqsave(&ctlr->queue_lock, flags);
		ctlr->idling = false;
		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);
		return;
	}

	/* Extract head of queue */
	ctlr->cur_msg =
		list_first_entry(&ctlr->queue, struct spi_message, queue);

	list_del_init(&ctlr->cur_msg->queue);
	if (ctlr->busy)
		was_busy = true;
	else
		ctlr->busy = true;
	spin_unlock_irqrestore(&ctlr->queue_lock, flags);

	mutex_lock(&ctlr->io_mutex);

	if (!was_busy && ctlr->auto_runtime_pm) {
		ret = pm_runtime_get_sync(ctlr->dev.parent);
		if (ret < 0) {
			dev_err(&ctlr->dev, "Failed to power device: %d\n",
				ret);
			mutex_unlock(&ctlr->io_mutex);
			return;
		}
	}

	if (!was_busy)
		trace_spi_controller_busy(ctlr);

	if (!was_busy && ctlr->prepare_transfer_hardware) {
		ret = ctlr->prepare_transfer_hardware(ctlr);
		if (ret) {
			dev_err(&ctlr->dev,
				"failed to prepare transfer hardware\n");

			if (ctlr->auto_runtime_pm)
				pm_runtime_put(ctlr->dev.parent);
			mutex_unlock(&ctlr->io_mutex);
			return;
		}
	}

	trace_spi_message_start(ctlr->cur_msg);

	if (ctlr->prepare_message) {
		ret = ctlr->prepare_message(ctlr, ctlr->cur_msg);
		if (ret) {
			dev_err(&ctlr->dev, "failed to prepare message: %d\n",
				ret);
			ctlr->cur_msg->status = ret;
			spi_finalize_current_message(ctlr);
			goto out;
		}
		ctlr->cur_msg_prepared = true;
	}

	ret = spi_map_msg(ctlr, ctlr->cur_msg);
	if (ret) {
		ctlr->cur_msg->status = ret;
		spi_finalize_current_message(ctlr);
		goto out;
	}

	ret = ctlr->transfer_one_message(ctlr, ctlr->cur_msg);
	if (ret) {
		dev_err(&ctlr->dev,
			"failed to transfer one message from queue\n");
		goto out;
	}

out:
	mutex_unlock(&ctlr->io_mutex);

	/* Prod the scheduler in case transfer_one() was busy waiting */
	if (!ret)
		cond_resched();
}

发送messages

spi_transfer_one_message

\drivers\spi\spi.c

1） 设置片选

spi_set_cs(msg->spi, true);

2） 遍历message每个transfer，调用具体控制器接口发送数据

3） 等待transfer的传输完成。

if (ret > 0) {
				ret = 0;
				ms = 8LL * 1000LL * xfer->len;
				do_div(ms, xfer->speed_hz);
				ms += ms + 200; /* some tolerance */

				if (ms > UINT_MAX)
					ms = UINT_MAX;

				ms = wait_for_completion_timeout(&ctlr->xfer_completion,
								 msecs_to_jiffies(ms));
			}

4）整个message的传输完成

if (mesg->complete)
		mesg->complete(mesg->context);

设备驱动的发送接口

.55-fmsh\drivers\spi\spi-dw.c

static int dw_spi_transfer_one(struct spi_master *master,
		struct spi_device *spi, struct spi_transfer *transfer)

总体流程

   注意这里有几个上下文：

   1） 用户发送上下文，将message 传递个控制器后，就在此上下文中等待message的处理结果。

   2）发送线程上下文。

   3）设备驱动发送数据时的中断上下文。

实现细节

锁的使用

1.  ctlr->queue_lock

用户进程和实际发送线程之间对queue 链表的互斥。

spinlock_t            queue_lock;

使用处：

将message 放入ctrl 队列时

spin_lock_irqsave(&ctlr->queue_lock, flags);

以及内核线程将message 从队列取出，下发到硬件时

__spi_pump_messages

2. bus_lock_spinlock

/* If we're not using the legacy transfer method then we will
	 * try to transfer in the calling context so special case.
	 * This code would be less tricky if we could remove the
	 * support for driver implemented message queues.
	 */
	if (ctlr->transfer == spi_queued_transfer) {
		spin_lock_irqsave(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);

		trace_spi_message_submit(message);

		status = __spi_queued_transfer(spi, message, false);

		spin_unlock_irqrestore(&ctlr->bus_lock_spinlock, flags);
	}

3.  bus_lock_mutex

mutex_lock(&spi->controller->bus_lock_mutex);
	ret = __spi_sync(spi, message);
	mutex_unlock(&spi->controller->bus_lock_mutex);

 多个用户或者flash、spi外设驱动之间互斥。

也就是说，一个SPI发送过程，需要先获取 mutex，然后bus_spinlock ,然后 queue spinlock。

这里有了bus mutex，为什么还有一个bus spin lock？
 

总结

       为什么针对SPI的驱动，单独设置了FIFO的调度？而实时进程则是采用SCHED_FIFO或SCHED_RR。

参考资料

Kthread worker

linux kthread_worker-CSDN博客

 内核 kthread_worker 和 kthread_work 机制_kthread_queue_work-CSDN博客

 查看进程调度策略

Linux系统动态查看每个CPU上任务的调度情况_linux cpu 调度 记录-CSDN博客

linux进程的查看和调度 - 知乎 (zhihu.com)

Linux的进程线程调度策略_如何查看线程的policy-CSDN博客

linux内核调度的机制 tasklet/workqueue/kthread_worker/kthreadx详解及示例【转】 - Sky&Zhang - 博客园 (cnblogs.com)

混乱的Linux内核实时线程优先级 - 知乎 (zhihu.com) 5： linux内核调度的机制 tasklet/workqueue/kthread_worker/kthreadx详解及示例_kthread_worker和workqueue-CSDN博客

【驱动】SPI驱动分析(四)-关键API解析 - 学习，积累，成长 - 博客园 (cnblogs.com)

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