【RTT驱动框架分析05】-spi驱动框架分析

news2024/10/5 18:33:19

spi

1.应用层的spi操作

spi 消息结构

struct rt_spi_message
{
    const void *send_buf;//发送数据的缓存
    void *recv_buf;//接收数据的缓存
    rt_size_t length;//数据长度
    struct rt_spi_message *next;//指向下一个消息结构

    unsigned cs_take    : 1;//是否执行获取cs
    unsigned cs_release : 1;//是否执行释放cs
};

通用的数据收发函数

struct rt_spi_message *rt_spi_transfer_message(struct rt_spi_device  *device,
                                               struct rt_spi_message *message)

2.摘录自RTT官方-应用层文档

挂载 SPI 设备

SPI 驱动会注册 SPI 总线，SPI 设备需要挂载到已经注册好的 SPI 总线上。

rt_err_t rt_spi_bus_attach_device_cspin(struct rt_spi_device *device,
                                        const char           *name,
                                        const char           *bus_name,
                                        rt_base_t            cs_pin,
                                        void                 *user_data)
参数描述
deviceSPI 设备句柄
nameSPI 设备名称
bus_nameSPI 总线名称
cs_pinSPI 片选引脚号(基于PIN框架)
user_data用户数据指针
返回——
RT_EOK成功
其他错误码失败

此函数用于挂载一个 SPI 设备到指定的 SPI 总线，并向内核注册 SPI 设备。并且可以依赖RT-Thread的PIN框架来绑定SPI的片选引脚(cs_pin)，避免了不同bsp的上层应用对片选引脚操作不统一的问题。

一般 SPI 总线命名原则为 spix， SPI 设备命名原则为 spixy ，如 spi10 表示挂载在 spi1 总线上的 0 号设备。cs_pin可以通过PIN框架rt_pin_get函数来获取，也可以使用BSP级提供的GET_PIN宏定义来获取。user_data 在用户使用不到的情况下可以设置为RT_NULL。

使用示例：

struct rt_spi_device *spi_device;
spi_device = (struct rt_spi_device *)rt_malloc(sizeof(struct rt_spi_device));
/* BSP级 GET_PIN 宏定义方式 */
rt_hw_spi_device_attach(spi_device, "spi1", "spi10", GET_PIN(B, 14), RT_NULL);
/* PIN框架级 rt_pin_get api方式 */
rt_hw_spi_device_attach(spi_device, "spi1", "spi10", rt_pin_get("PB.14"), RT_NULL);

[!NOTE]

此函数是RT-Thread 5.0.0 添加的新函数，如果低于5.0.0版本不支持这个函数。

为了兼容RT-Thread 5.0.0 版本前的SPI设备片选引脚通过user_data挂载的方式，我们保留了rt_spi_bus_attach_device这个api，但是希望大家在今后使用的时候，尽量使用rt_spi_bus_attach_device_cspin这个新特性api。

rt_err_t rt_spi_bus_attach_device(struct rt_spi_device *device,
                                  const char           *name,
                                  const char           *bus_name,
                                  void                 *user_data)
参数描述
deviceSPI 设备句柄
nameSPI 设备名称
bus_nameSPI 总线名称
user_data用户数据指针
返回——
RT_EOK成功
其他错误码失败

此函数用于挂载一个 SPI 设备到指定的 SPI 总线，并向内核注册 SPI 设备，并将 user_data 保存到 SPI 设备的控制块里。

一般 SPI 总线命名原则为 spix， SPI 设备命名原则为 spixy ，如 spi10 表示挂载在 spi1 总线上的 0 号设备。user_data 一般为 SPI 设备的 CS 引脚指针，进行数据传输时 SPI 控制器会操作此引脚进行片选。

下面的示例代码挂载 SPI FLASH W25Q128 到 SPI 总线：

static int rt_hw_spi_flash_init(void)
{
    struct rt_spi_device *spi_device = RT_NULL;

    spi_device = (struct rt_spi_device *)rt_malloc(sizeof(struct rt_spi_device));
    if(RT_NULL == spi_device)
    {
        LOG_E("Failed to malloc the spi device.");
        return -RT_ENOMEM;
    }
    if (RT_EOK != rt_spi_bus_attach_device_cspin(spi_device, "spi10", "spi1",GET_PIN(B, 14), RT_NULL))
    {
        LOG_E("Failed to attach the spi device.");
        return -RT_ERROR;
    }
    if (RT_NULL == rt_sfud_flash_probe("W25Q128", "spi10"))
    {
        LOG_E("Failed to probe the W25Q128.");
        return -RT_ERROR;
    };

    return RT_EOK;
}

/* 导出到自动初始化 */
INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_spi_flash_init);

配置 SPI 设备

挂载 SPI 设备到 SPI 总线后需要配置 SPI 设备的传输参数。

主要是工作模式，数据宽度，spi工作频率

rt_err_t rt_spi_configure(struct rt_spi_device *device,
                          struct rt_spi_configuration *cfg)
参数描述
deviceSPI 设备句柄
cfgSPI 配置参数指针
返回——
RT_EOK成功

此函数会保存 cfg 指向的配置参数到 SPI 设备 device 的控制块里，当传输数据时会使用此配置参数。

struct rt_spi_configuration 原型如下：

struct rt_spi_configuration
{
    rt_uint8_t mode;        /* 模式 */
    rt_uint8_t data_width;  /* 数据宽度，可取8位、16位、32位 */
    rt_uint16_t reserved;   /* 保留 */
    rt_uint32_t max_hz;     /* 最大频率 */
};

模式： 包含 MSB/LSB、主从模式、 时序模式等，可取宏组合如下:

/* 设置数据传输顺序是MSB位在前还是LSB位在前 */
#define RT_SPI_LSB      (0<<2)                        /* bit[2]: 0-LSB */
#define RT_SPI_MSB      (1<<2)                        /* bit[2]: 1-MSB */

/* 设置SPI的主从模式 */
#define RT_SPI_MASTER   (0<<3)                        /* SPI master device */
#define RT_SPI_SLAVE    (1<<3)                        /* SPI slave device */

/* 设置时钟极性和时钟相位 */
#define RT_SPI_MODE_0   (0 | 0)                       /* CPOL = 0, CPHA = 0 */
#define RT_SPI_MODE_1   (0 | RT_SPI_CPHA)             /* CPOL = 0, CPHA = 1 */
#define RT_SPI_MODE_2   (RT_SPI_CPOL | 0)             /* CPOL = 1, CPHA = 0 */
#define RT_SPI_MODE_3   (RT_SPI_CPOL | RT_SPI_CPHA)   /* CPOL = 1, CPHA = 1 */

#define RT_SPI_CS_HIGH  (1<<4)                        /* Chipselect active high */
#define RT_SPI_NO_CS    (1<<5)                        /* No chipselect */
#define RT_SPI_3WIRE    (1<<6)                        /* SI/SO pin shared */
#define RT_SPI_READY    (1<<7)                        /* Slave pulls low to pause */

数据宽度： 根据 SPI 主设备及 SPI 从设备可发送及接收的数据宽度格式设置为8位、16位或者32位。

最大频率： 设置数据传输的波特率，同样根据 SPI 主设备及 SPI 从设备工作的波特率范围设置。

配置示例如下所示：

    struct rt_spi_configuration cfg;
    cfg.data_width = 8;
    cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_0 | RT_SPI_MSB;
    cfg.max_hz = 20 * 1000 *1000;                           /* 20M */

    rt_spi_configure(spi_dev, &cfg);

访问 SPI 设备

一般情况下 MCU 的 SPI 器件都是作为主机和从机通讯，在 RT-Thread 中将 SPI 主机虚拟为 SPI 总线设备，应用程序使用 SPI 设备管理接口来访问 SPI 从机器件，主要接口如下所示：

函数描述
rt_device_find()根据 SPI 设备名称查找设备获取设备句柄
rt_spi_transfer_message()自定义传输数据
rt_spi_transfer()传输一次数据
rt_spi_send()发送一次数据
rt_spi_recv()接受一次数据
rt_spi_send_then_send()连续两次发送
rt_spi_send_then_recv()先发送后接收

[!NOTE] 注：SPI 数据传输相关接口会调用 rt_mutex_take(), 此函数不能在中断服务程序里面调用，会导致 assertion 报错。

查找 SPI 设备

在使用 SPI 设备前需要根据 SPI 设备名称获取设备句柄，进而才可以操作 SPI 设备，查找设备函数如下所示，

rt_device_t rt_device_find(const char* name);
参数描述
name设备名称
返回——
设备句柄查找到对应设备将返回相应的设备句柄
RT_NULL没有找到相应的设备对象

一般情况下，注册到系统的 SPI 设备名称为 spi10， qspi10等，使用示例如下所示：

#define W25Q_SPI_DEVICE_NAME     "qspi10"   /* SPI 设备名称 */
struct rt_spi_device *spi_dev_w25q;     /* SPI 设备句柄 */

/* 查找 spi 设备获取设备句柄 */
spi_dev_w25q = (struct rt_spi_device *)rt_device_find(W25Q_SPI_DEVICE_NAME);

自定义传输数据

获取到 SPI 设备句柄就可以使用 SPI 设备管理接口访问 SPI 设备器件，进行数据收发。可以通过如下函数传输消息：

struct rt_spi_message *rt_spi_transfer_message(struct rt_spi_device  *device,struct rt_spi_message *message)；
参数描述
deviceSPI 设备句柄
message消息指针
返回——
RT_NULL成功发送
非空指针发送失败，返回指向剩余未发送的 message 的指针

此函数可以传输一连串消息，用户可以自定义每个待传输的 message 结构体各参数的数值，从而可以很方便的控制数据传输方式。struct rt_spi_message 原型如下：

struct rt_spi_message
{
    const void *send_buf;           /* 发送缓冲区指针 */
    void *recv_buf;                 /* 接收缓冲区指针 */
    rt_size_t length;               /* 发送 / 接收 数据字节数 */
    struct rt_spi_message *next;    /* 指向继续发送的下一条消息的指针 */
    unsigned cs_take    : 1;        /* 片选选中 */
    unsigned cs_release : 1;        /* 释放片选 */
};
  • sendbuf 为发送缓冲区指针，其值为 RT_NULL 时，表示本次传输为只接收状态，不需要发送数据。
  • recvbuf 为接收缓冲区指针，其值为 RT_NULL 时，表示本次传输为只发送状态，不需要保存接收到的数据，所以收到的数据直接丢弃。
  • length 的单位为 word，即数据长度为 8 位时，每个 length 占用 1 个字节；当数据长度为 16 位时，每个 length 占用 2 个字节。
  • 参数 next 是指向继续发送的下一条消息的指针，若只发送一条消息，则此指针值为 RT_NULL。多个待传输的消息通过 next 指针以单向链表的形式连接在一起。
  • cs_take 值为 1 时，表示在传输数据前，设置对应的 CS 为有效状态。
  • cs_release 值为 1 时，表示在数据传输结束后，释放对应的 CS。

[!NOTE] 注：* 当 send_buf 或 recv_buf 不为空时，两者的可用空间都不得小于 length。

  • 若使用此函数传输消息，传输的第一条消息 cs_take 需置为 1，设置片选为有效，最后一条消息的 cs_release 需置 1，释放片选。

使用示例如下所示：

#define W25Q_SPI_DEVICE_NAME     "qspi10"   /* SPI 设备名称 */
struct rt_spi_device *spi_dev_w25q;     /* SPI 设备句柄 */
struct rt_spi_message msg1, msg2;
rt_uint8_t w25x_read_id = 0x90;         /* 命令 */
rt_uint8_t id[5] = {0};

/* 查找 spi 设备获取设备句柄 */
spi_dev_w25q = (struct rt_spi_device *)rt_device_find(W25Q_SPI_DEVICE_NAME);
/* 发送命令读取ID */
struct rt_spi_message msg1, msg2;

msg1.send_buf   = &w25x_read_id;
msg1.recv_buf   = RT_NULL;
msg1.length     = 1;
msg1.cs_take    = 1;
msg1.cs_release = 0;
msg1.next       = &msg2;

msg2.send_buf   = RT_NULL;
msg2.recv_buf   = id;
msg2.length     = 5;
msg2.cs_take    = 0;
msg2.cs_release = 1;
msg2.next       = RT_NULL;

rt_spi_transfer_message(spi_dev_w25q, &msg1);
rt_kprintf("use rt_spi_transfer_message() read w25q ID is:%x%x\n", id[3], id[4]);

传输一次数据

如果只传输一次数据可以通过如下函数：

rt_size_t rt_spi_transfer(struct rt_spi_device *device,
                          const void           *send_buf,
                          void                  *recv_buf,
                          rt_size_t             length);
参数描述
deviceSPI 设备句柄
send_buf发送数据缓冲区指针
recv_buf接收数据缓冲区指针
length发送/接收 数据字节数
返回——
0传输失败
非 0 值成功传输的字节数

此函数等同于调用rt_spi_transfer_message() 传输一条消息，开始发送数据时片选选中，函数返回时释放片选，message 参数配置如下：

struct rt_spi_message msg；

msg.send_buf   = send_buf;
msg.recv_buf   = recv_buf;
msg.length     = length;
msg.cs_take    = 1;
msg.cs_release = 1;
msg.next        = RT_NULL;

发送一次数据

如果只发送一次数据，而忽略接收到的数据可以通过如下函数：

rt_size_t rt_spi_send(struct rt_spi_device *device,
                      const void           *send_buf,
                      rt_size_t             length)
参数描述
deviceSPI 设备句柄
send_buf发送数据缓冲区指针
length发送数据字节数
返回——
0发送失败
非 0 值成功发送的字节数

调用此函数发送 send_buf 指向的缓冲区的数据，忽略接收到的数据，此函数是对 rt_spi_transfer() 函数的封装。

此函数等同于调用 rt_spi_transfer_message() 传输一条消息，开始发送数据时片选选中，函数返回时释放片选，message 参数配置如下：

struct rt_spi_message msg；

msg.send_buf   = send_buf;
msg.recv_buf   = RT_NULL;
msg.length     = length;
msg.cs_take    = 1;
msg.cs_release = 1;
msg.next       = RT_NULL;

接收一次数据

如果只接收一次数据可以通过如下函数：

rt_size_t rt_spi_recv(struct rt_spi_device *device,
                      void                 *recv_buf,
                      rt_size_t             length);
参数描述
deviceSPI 设备句柄
recv_buf接收数据缓冲区指针
length接收数据字节数
返回——
0接收失败
非 0 值成功接收的字节数

调用此函数接收数据并保存到 recv_buf 指向的缓冲区。此函数是对 rt_spi_transfer() 函数的封装。SPI 总线协议规定只能由主设备产生时钟，因此在接收数据时，主设备会发送数据 0XFF。

此函数等同于调用 rt_spi_transfer_message() 传输一条消息，开始接收数据时片选选中，函数返回时释放片选，message 参数配置如下：

struct rt_spi_message msg；

msg.send_buf   = RT_NULL;
msg.recv_buf   = recv_buf;
msg.length     = length;
msg.cs_take    = 1;
msg.cs_release = 1;
msg.next       = RT_NULL;

连续两次发送数据

如果需要先后连续发送 2 个缓冲区的数据，并且中间片选不释放，可以调用如下函数:

rt_err_t rt_spi_send_then_send(struct rt_spi_device *device,
                               const void           *send_buf1,
                               rt_size_t             send_length1,
                               const void           *send_buf2,
                               rt_size_t             send_length2);
参数描述
deviceSPI 设备句柄
send_buf1发送数据缓冲区 1 指针
send_length1发送数据缓冲区 1 数据字节数
send_buf2发送数据缓冲区 2 指针
send_length2发送数据缓冲区 2 数据字节数
返回——
RT_EOK发送成功
-RT_EIO发送失败

此函数可以连续发送 2 个缓冲区的数据，忽略接收到的数据，发送 send_buf1 时片选选中，发送完 send_buf2 后释放片选。

本函数适合向 SPI 设备中写入一块数据，第一次先发送命令和地址等数据，第二次再发送指定长度的数据。之所以分两次发送而不是合并成一个数据块发送，或调用两次 rt_spi_send()，是因为在大部分的数据写操作中，都需要先发命令和地址，长度一般只有几个字节。如果与后面的数据合并在一起发送，将需要进行内存空间申请和大量的数据搬运。而如果调用两次 rt_spi_send()，那么在发送完命令和地址后，片选会被释放，大部分 SPI 设备都依靠设置片选一次有效为命令的起始，所以片选在发送完命令或地址数据后被释放，则此次操作被丢弃。

此函数等同于调用 rt_spi_transfer_message() 传输 2 条消息，message 参数配置如下：

struct rt_spi_message msg1,msg2；

msg1.send_buf   = send_buf1;
msg1.recv_buf   = RT_NULL;
msg1.length     = send_length1;
msg1.cs_take    = 1;
msg1.cs_release = 0;
msg1.next       = &msg2;

msg2.send_buf   = send_buf2;
msg2.recv_buf   = RT_NULL;
msg2.length     = send_length2;
msg2.cs_take    = 0;
msg2.cs_release = 1;
msg2.next       = RT_NULL;

先发送后接收数据

如果需要向从设备先发送数据，然后接收从设备发送的数据，并且中间片选不释放，可以调用如下函数:

rt_err_t rt_spi_send_then_recv(struct rt_spi_device *device,
                               const void           *send_buf,
                               rt_size_t             send_length,
                               void                 *recv_buf,
                               rt_size_t             recv_length);
参数描述
deviceSPI 从设备句柄
send_buf发送数据缓冲区指针
send_length发送数据缓冲区数据字节数
recv_buf接收数据缓冲区指针
recv_length接收数据字节数
返回——
RT_EOK成功
-RT_EIO失败

此函数发送第一条数据 send_buf 时开始片选，此时忽略接收到的数据，然后发送第二条数据，此时主设备会发送数据 0XFF，接收到的数据保存在 recv_buf 里，函数返回时释放片选。

本函数适合从 SPI 从设备中读取一块数据，第一次会先发送一些命令和地址数据，然后再接收指定长度的数据。

此函数等同于调用 rt_spi_transfer_message() 传输 2 条消息，message 参数配置如下：

struct rt_spi_message msg1,msg2；

msg1.send_buf   = send_buf;
msg1.recv_buf   = RT_NULL;
msg1.length     = send_length;
msg1.cs_take    = 1;
msg1.cs_release = 0;
msg1.next       = &msg2;

msg2.send_buf   = RT_NULL;
msg2.recv_buf   = recv_buf;
msg2.length     = recv_length;
msg2.cs_take    = 0;
msg2.cs_release = 1;
msg2.next       = RT_NULL;

SPI 设备管理模块还提供 rt_spi_sendrecv8() 和 rt_spi_sendrecv16() 函数，这两个函数都是对此函数的封装，rt_spi_sendrecv8() 发送一个字节数据同时收到一个字节数据，rt_spi_sendrecv16() 发送 2 个字节数据同时收到 2 个字节数据。

3.底层的spi操作

spi 分为spi总线和spi设备，分为3层框架，spi设备继承自spi总线，spi总线继承自io设备驱动框架，例如w25q128就是一个spi设备

spi总线抽象接口

struct rt_spi_ops
{
    rt_err_t (*configure)(struct rt_spi_device *device, struct rt_spi_configuration *configuration);
    rt_uint32_t (*xfer)(struct rt_spi_device *device, struct rt_spi_message *message);
};

spi设备抽象

继承自rt_device 设备驱动模型

struct rt_spi_bus
{
    struct rt_device parent;//父类
    rt_uint8_t mode;
    const struct rt_spi_ops *ops;//spi操作函数

    struct rt_mutex lock;//一个总线可能会挂载多个设备，所以需要使用锁操作
    struct rt_spi_device *owner; //总线目前归属那个spi设备
};

spi设备

继承自rt_device 和spi总线

//老结构
struct rt_spi_device
{
    struct rt_device parent;
    struct rt_spi_bus *bus;

    struct rt_spi_configuration config;
    void   *user_data;
};

//新结构-增加了CS片选
struct rt_spi_device
{
    struct rt_device parent;
    struct rt_spi_bus *bus;

    struct rt_spi_configuration config;
    rt_base_t cs_pin;//直接提供一个RTT框架下的pin使用 GET_PIN(C,1);
    void   *user_data;
};

如何注册一个spi总线

  1. 实现一个结构体对象rt_spi_bus ，实现内部的操作函数configure和xfer
  2. 注册spi总线 rt_spi_bus_register

spi总线注册如下图

在这里插入图片描述

spi设备注册

spi 设备注册依赖一个spi总线，在rt_spi_bus_attach_device 函数注册时，需要提供spi总线，cs片选

rt_err_t rt_spi_bus_attach_device_cspin(struct rt_spi_device *device,
                                        const char           *name,//设备名字
                                        const char           *bus_name,//总线名字
                                        rt_base_t            cs_pin,
                                        void                 *user_data)

下图就是spi设备如何注册，如何读写数据到spi设备
在这里插入图片描述
5.0框架下的spi设备注册
在这里插入图片描述

4.如何修改spi总线的引脚

在drv_spi.h文件中定义了spi外设的引脚

#ifdef RT_USING_SPI1
#define SPI1_SCK_PIN             GPIO_PIN_5 /* PA.05 */
#define SPI1_SCK_GPIO_PORT       GPIOA      /* GPIOA */
#define SPI1_SCK_GPIO_CLK        RCC_APB2_PERIPH_GPIOA
#define SPI1_MISO_PIN            GPIO_PIN_6 /* PA.06 */
#define SPI1_MISO_GPIO_PORT      GPIOA      /* GPIOA */
#define SPI1_MISO_GPIO_CLK       RCC_APB2_PERIPH_GPIOA
#define SPI1_MOSI_PIN            GPIO_PIN_7 /* PA.07 */
#define SPI1_MOSI_GPIO_PORT      GPIOA      /* GPIOA */
#define SPI1_MOSI_GPIO_CLK       RCC_APB2_PERIPH_GPIOA
#endif  /* RT_USING_SPI1 */

#ifdef RT_USING_SPI2
#define SPI2_SCK_PIN             GPIO_PIN_13 /* PB.13 */
#define SPI2_SCK_GPIO_PORT       GPIOB      /* GPIOB */
#define SPI2_SCK_GPIO_CLK        RCC_APB2_PERIPH_GPIOB
#define SPI2_MISO_PIN            GPIO_PIN_14 /* PB.14 */
#define SPI2_MISO_GPIO_PORT      GPIOB      /* GPIOB */
#define SPI2_MISO_GPIO_CLK       RCC_APB2_PERIPH_GPIOB
#define SPI2_MOSI_PIN            GPIO_PIN_15 /* PB.15 */
#define SPI2_MOSI_GPIO_PORT      GPIOB      /* GPIOB */
#define SPI2_MOSI_GPIO_CLK       RCC_APB2_PERIPH_GPIOB
#endif  /* RT_USING_SPI2 */

5.W25Q128 nor flash

状态寄存器

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芯片id

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指令

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时序

每个指令都是在cs拉高后开始执行

写使能时序

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读取状态寄存器

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读数据时序

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写时序

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