【嵌入式Linux内核驱动】SPI子系统 | 硬件原理 | 应用编程 | 内核驱动 | 总体框架

news2024/11/25 7:10:10

1. 硬件原理

1.1 SPI通信协议

  • SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线

  • 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）

  • 同步，全双工

  • 支持总线挂载多设备（一主多从）

1.2 硬件连接

  • 多NSS独立片选方式
  • 菊花链方式

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引脚含义
DO(MOSI)Master Output, Slave Input，
SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据，输出引脚设置为推挽输出
DI(MISO)Master Input, Slave Output，
SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据，输入引脚设置为浮空或上拉输入，从机不输出时为高阻态。
SCKSerial Clock，时钟
CSChip Select，芯片选择引脚，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

移位寄存器示意图

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1.3 时序

  • 起始：CS从高到低
  • 终止：CS从低到高

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SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA可以分别为0或1，由此构成了四种组合：

CPOLCPHA模式含义
000CLK初始电平为低电平，在第一个时钟沿采样数据
011CLK初始电平为低电平，在第二个时钟沿采样数据
102CLK初始电平为高电平，在第一个时钟沿采样数据
113CLK初始电平为高电平，在第二个时钟沿采样数据

常用的是模式0和模式3，因为它们都是在上升沿采样数据，不用去在乎时钟的初始电平是什么，只要在上升沿采集数据就行。

IIC有效字节流数据第一个字节是寄存器地址，之后是读写的数据，使用的是读写寄存器模型

SPI用指令码加读写数据模型，发送指令字节的方式来读取，从机中有指令集对应，

发送指令。

指定地址读。

指定地址写。

1.4 代码

IO模拟

void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend) //交换字节，发送的话就不需要读取返回值，接收的话就发送0XFF接收返回的数据。
{
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i ++)  //模式0，其他模式对着时序图换一下MySPI_W_SCK就行
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
		MySPI_W_SCK(1);  
		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	
	return ByteReceive;
}

1.5 SPI FLASH W25Qxx

1.5.1 硬件原理

  • W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景

  • 存储介质：Nor Flash（闪存）

  • 时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

  • 存储容量（24位地址）：

W25Q40： 4Mbit / 512KByte

W25Q80： 8Mbit / 1MByte

W25Q16： 16Mbit / 2MByte

W25Q32： 32Mbit / 4MByte

W25Q64： 64Mbit / 8MByte

W25Q128： 128Mbit / 16MByte

W25Q256： 256Mbit / 32MByte

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spi flash hold

spi flash hold
该引脚接收到低电平时，且 /CS=0，数据引脚为高阻态，芯片可以屏蔽总线的数据和时钟信号，当引脚为高电平时，可以继续恢复对芯片的操作，适用于多设备SPI控制，分时使用。这个引脚的意义是引进了3种设备情况：设备不被选中，被选中但不工作，被选中且工作；没有这个引脚功能时，芯片只有两种情况：不被选中，选中且工作。

该引脚通过控制寄存器可以有复用功能，作为数据引脚。

SPI Flash有三种工作模式

SPI Flash有三种工作模式：Standard SPI，Dual SPI，Quad SPI。这三种模式的区别在于数据引脚的数量和功能不一样。

Standard SPI
标准SPI，也就是我们常说的四线：片选 （/CS）,时钟 （CLK），输入数据 （DI），输出数据 （DO）。另外配有写保护 （/WP） 和维持 （/HOLD） 功能。

Dual SPI
这种工作模式就是对标准SPI进行了改进，将DO，DI改成IO1和IO2，变成了双向IO口，这样一个时钟周期可以读写2位数据。写保护（/WP）和维持（/HOLD）功能仍然保留。

Quad SPI
这种工作模式是对Dual SPI模式进行改进，就是上面讲的，将写保护 （/WP） 和维持 （/HOLD） 引脚复用为IO口，标记为IO3，IO4，这样总共就是四个IO口，数据传送速度更快。

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  • 空间划分：块64KB，扇区4KB，页256B
  • SPI控制逻辑
  • 状态寄存器
  • 页缓存，会对一次性写入的数据缓存

1.5.2 Flash操作注意事项

写入操作时：

  • 写入操作前，必须先进行写使能

  • 每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1（不能覆盖改写，要先擦除，发送擦除指令）

  • 写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1

  • 擦除必须按最小擦除单元进行

  • 连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入

  • 写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作

读取操作时：

  • 直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

BUSY

  • 擦除和写入会变为忙状态，每次操作都要先读是不是忙状态再操作。

WEL

  • 任何写入都要先写使能

1.5.3 代码

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();
}

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID); //发送读ID指令
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取8位厂商ID
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE); //交换读取高8位设备ID
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//交换读取低8位设备ID
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); 
	MySPI_Stop();
}

void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); //读状态寄存器
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) //查看是否忙状态
	{
		Timeout --; 
		if (Timeout == 0) //超时判断
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}

//页编程：页的某个地址写一堆数据
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count) 
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable(); 
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16); //先发地址最高位
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)  //循环发送数据
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy(); //事后等待，保证出了这个函数是不忙的，会浪费资源。
                       //也可以放在最前面，事前等待
}

//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}

//读数据
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	}
	MySPI_Stop();
}

1.6 常见面试问题

SPI总线的工作频率

SPI是一种事实标准，由Motorola开发，并没有一个官方标准。已知的有的器件SPI已达到50Mbps。具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。

SPI最大传输速率受以下几个条件影响：

1）SPI的最大时钟频率；

2）CPU处理SPI数据的能力；

3）输出端驱动能力（PCB所允许的最大信号传输速率）；

W25Qxx系列时钟频率：80MHz/160MHz(Dual SPI)/320MHz(Quad SPI)

SPI优缺点

SPI的优点

  • 全双工串行通信；
  • 高速数据传输速率。
  • 简单的软件配置；
  • 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；
  • 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

SPI的缺点

  • 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
  • 通常仅支持一个主设备；
  • 需要更多的引脚（与I2C不同）；
  • 没有定义硬件级别的错误检查协议；
  • 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

2. 应用编程–spidev应用程序分析

内核提供的测试程序：tools\spi\spidev_fdx.c

2.1 使用方法

spidev_fdx [-h] [-m N] [-r N] /dev/spidevB.D
  • -h: 打印用法
  • -m N：先写1个字节0xaa，再读N个字节，**注意：**不是同时写同时读
  • -r N：读N个字节

2.2 代码分析

2.2.1 显示设备属性

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ReVgcpf6-1689342862460)(pic/29_spidev_dumpstat.png)]

2.2.2 读数据

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hNsNpymg-1689342862460)(pic/30_spidev_do_read.png)]

2.2.3 先写再读

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AgQ7ji6m-1689342862460)(pic/31_spidev_write_then_read.png)]

2.2.4 同时读写

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-URIIsxc2-1689342862461)(pic/32_spidev_read_write_same_time.png)]

2.3 spidev的缺点

使用read、write函数时，只能读、写，这是半双工方式。

使用ioctl可以达到全双工的读写。

但是spidev有2个缺点：

  • 不支持中断
  • 只支持同步操作，不支持异步操作：就是read/write/ioctl这些函数只能执行完毕才可返回

3.内核驱动

总线-设备-驱动模型

spi_drv_frame

SPI子系统中：SPI控制器、SPI设备-驱动。

image-20230409215517035

image-20230409215537806image-20230409215943244

在设备树里，会有一个节点用来表示SPI控制器。

在这个SPI控制器下面，连接有哪些SPI设备？会在设备树里使用子节点来描述SPI设备。

image-20230409221954062

官方的通用dev驱动spidev驱动程序

自己编写设备spi驱动程序，如DAC4822，TLC5615，OLED SD1306

SPI_Master驱动程序框架

SPI_Slave_Mode驱动程序框架

4. 总体框架

image-20230425103401023

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