摘  要： 以微處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)組成的嵌入式系統(tǒng)作為主要開發(fā)平臺，根據(jù)SPI通信原理和S3C2440電路接口的特點(diǎn)，設(shè)計了一款基于ARM嵌入式系統(tǒng)的SPI驅(qū)動程序。討論了SPI驅(qū)動程序的基本開發(fā)方法和實現(xiàn)過程，通過編寫簡單的測試程序進(jìn)行仿真驗證。驗證結(jié)果表明該驅(qū)動程序穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵詞： S3C2440；嵌入式Linux；SPI；驅(qū)動程序

　嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于國防電子、數(shù)字家庭、工業(yè)自動化、汽車電子等多種領(lǐng)域[1]。在嵌入式開發(fā)過程中，許多系統(tǒng)通常使用串口驅(qū)動來滿足通信要求，但在實際應(yīng)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(shù)，因而SPI設(shè)備在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中十分方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計了一種SPI驅(qū)動程序，該驅(qū)動程序功能可靠靈活、易于移植，可應(yīng)用于多種嵌入式平臺，實現(xiàn)ARM與設(shè)備之間的通信。
1 硬件說明
1.1 S3C2440開發(fā)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(diào)試以及I/O接口。為滿足設(shè)計需要，將Linux2.6.21版內(nèi)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(dú)立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并兼容SPI ver.2.11協(xié)議，支持8位邏輯預(yù)分頻，系統(tǒng)可用polling、中斷、DMA三種方式判斷SPI發(fā)送及接收狀態(tài)。此SPI模塊共包含以下信號線[5]：
　(1)SCK：數(shù)據(jù)同步時鐘信號，由主設(shè)備驅(qū)動，向從設(shè)備輸出，使得從設(shè)備按照同步時鐘的步調(diào)來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
    (2)nCS(由用戶指定GPIO)：從設(shè)備選擇信號線(Slave Select，SS)由主設(shè)備發(fā)出，用來選擇激活某個從設(shè)備，低電平有效。
　(3)MISO(SPIMISO0)：主入從出信號線，表示該信號在主設(shè)備中作為輸入，在從設(shè)備中作為輸出。
　(4)MOSI(SPIMOSI0)：主出從入信號線，表示該信號在主設(shè)備中作為輸出，在從設(shè)備中作為輸入。
　(5)/SS(nSS)：多主錯誤檢測。
2 Linux下的SPI設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計
　Linux設(shè)備驅(qū)動在Linux內(nèi)核中扮演著重要的角色。它可使某些特定硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備工作的細(xì)節(jié)。用戶操作可通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用來執(zhí)行，這些調(diào)用在形式上完全獨(dú)立于特定的驅(qū)動程序，而將這些調(diào)用映射到實際硬件設(shè)備的特有操作上，則是驅(qū)動程序的任務(wù)[6]。本設(shè)計的SPI驅(qū)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(qū)動程序第一次加載到內(nèi)核運(yùn)行時，對一些內(nèi)核機(jī)制及存儲器進(jìn)行初始化。寫操作負(fù)責(zé)將用戶數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核緩沖區(qū)，控制本地主SPI發(fā)送數(shù)據(jù)至從SPI寄存器中。讀操作將按照用戶要求讀取的字節(jié)數(shù)，連續(xù)讀取本地主SPI中接收到的數(shù)據(jù)，并將其拷貝至用戶空間。驅(qū)動程序?qū)⒉捎弥袛嗟姆绞酵ㄖ到y(tǒng)SPI數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，即當(dāng)SPI硬件模塊每發(fā)送完畢一個數(shù)據(jù)，都會通過中斷線向系統(tǒng)發(fā)起中斷，系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，驅(qū)動程序?qū)⒄{(diào)用中斷處理例程。
2.1 SPI初始化
　(1)申請中斷。此驅(qū)動設(shè)計通過中斷判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，所以需要申請SPI0相關(guān)的中斷，并注冊相應(yīng)的中斷處理函數(shù)。此驅(qū)動程序的中斷處理函數(shù)聲明如下：
　static irqreturn_t s3c2440_isr_spi(int irq，void*dev_id，struct pt_regs*reg)
　利用request_irq向內(nèi)核申請中斷號并注冊中斷處理函數(shù)：
　request_irq(IRQ_SPI0，s3c2440_isr_spi，SA_INTERRUPT，DEVICE_NAME，s3c2440_isr_spi)；
　(2)虛擬地址映射。驅(qū)動程序可以直接通過訪問內(nèi)核中的虛擬地址來訪問設(shè)備物理地址所對應(yīng)的寄存器，對其進(jìn)行操作。SPI設(shè)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(nèi)存區(qū)域，此后將其移至內(nèi)核空間。
　(3)相關(guān)寄存器的設(shè)置。通過配置SPI功能寄存器設(shè)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(yīng)寄存器。本次設(shè)計將本地SPI設(shè)為主設(shè)備，開啟SCK信號使能，設(shè)定CPOL和CPHA均為0，SPI工作在普通模式下。設(shè)置波特率預(yù)分頻寄存器(SPPRE)中的分頻比為8。具體設(shè)計如下：
　__raw_writel((S3C2440_SPCON_SMOD_INT|S3C2440_SPCON_ENSCK|S3C2440_SPCON_MSTR)， s3c2440_SPCON)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPCON initialize\n")；
　__raw_writel((S3C2440_SPPIN_ENMUL | S3C2440_SPPIN_KEEP)，s3c2440_SPPIN)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPPIN initialize\n")；
　__raw_writel(0x07，s3c2440_SPPRE)；
　DPRINTK(DEVICE_NAME"SPPRE initialize\n")；
　(4)初始化發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，通過頭尾指針的循環(huán)移動，實現(xiàn)對緩沖區(qū)的動態(tài)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(qū)大小，設(shè)為1 024 B。head、tail分別表示頭尾數(shù)組下標(biāo)，wq為等待隊列頭。此結(jié)構(gòu)依靠以下宏進(jìn)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(qū)中的元素，最后一個宏用于對頭尾下標(biāo)進(jìn)行前移，并保證頭尾下標(biāo)數(shù)值可循環(huán)變化，不發(fā)生溢出。
　在初始化時，分別對接收和發(fā)送緩沖區(qū)的頭尾指針進(jìn)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；
　(5)內(nèi)核機(jī)制相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化。本設(shè)計所使用的內(nèi)核機(jī)制包括了中斷上下半部的操作和睡眠等待機(jī)制，因此需要對發(fā)送、接收等待隊列以及tasklet結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，并注冊tasklet處理函數(shù)。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)；
　(6)初始化相應(yīng)端口。根據(jù)S3C2440外部管腳配置，將與SPI功能引腳復(fù)用的GPIO設(shè)定為SPI相應(yīng)功能。具體操作如下：
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE11，S3C2440_GPE11_SPIMISO0)；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE12，S3C2440_GPE12_SPIMOSI0)；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPE13，S3C2440_GPE13_SPICLK0)；
　s3c2440_gpio_cfgpin
　(S3C2440_GPG2，S3C2440_GPG2_INP)；//設(shè)置nSS
　s3c2440_gpio_cfgpin(S3C2440_GPB10，
　S3C2440_GPB10_OUTP)；    //設(shè)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(yīng)用部分的用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間中的環(huán)形緩沖區(qū)中，此后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到SPI發(fā)送寄存器中，在SPI發(fā)送完一個數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，中斷例程中的下半部將調(diào)用tasklet判斷緩沖區(qū)狀態(tài)。若緩沖區(qū)中有相應(yīng)的空間，可以將下一數(shù)據(jù)填入SPI發(fā)送寄存器中，直至將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。
　本設(shè)計的寫操作實現(xiàn)了環(huán)形緩沖區(qū)的動態(tài)管理，即在緩沖區(qū)刪除數(shù)據(jù)、尾指針前移的情況下，允許向緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)，頭指針前移。此設(shè)計可以使用戶空間任務(wù)與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)發(fā)送同時進(jìn)行，提高了用戶空間任務(wù)執(zhí)行效率，并且當(dāng)利用copy_from_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝至內(nèi)核空間時，數(shù)據(jù)發(fā)送仍在進(jìn)行，即數(shù)據(jù)從用戶空間至內(nèi)核空間拷貝過程與數(shù)據(jù)發(fā)送過程并發(fā)，提高了驅(qū)動程序效率。
　為了實現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)動態(tài)管理，定義了copy_to_Tx_buf_init和copy_to_Tx_buf兩個函數(shù)完成數(shù)據(jù)向緩沖區(qū)的復(fù)制操作。
　(1)copy_to_Tx_buf_init函數(shù)。本函數(shù)主要用于兩種情況：
?、偃绻彌_區(qū)為空，當(dāng)有一組數(shù)據(jù)到來且此數(shù)據(jù)的大小小于緩沖區(qū)的空間大小時，直接將此數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中。
?、谌绻l(fā)送數(shù)據(jù)的大小大于剩余緩沖區(qū)的空間，則只復(fù)制緩沖區(qū)大小的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。
緩沖區(qū)滿，該進(jìn)程進(jìn)行睡眠操作，直到緩沖區(qū)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，緩沖區(qū)再次為空，當(dāng)前進(jìn)程被喚醒，將此組用戶數(shù)據(jù)的未發(fā)送部分復(fù)制到緩沖區(qū)，繼續(xù)發(fā)送。
　(2)copy_to_Tx_buf函數(shù)。此函數(shù)主要用于緩沖區(qū)正在發(fā)送且未發(fā)送完畢的情況，將新一組用戶數(shù)據(jù)copy至緩沖區(qū)。首先計算緩沖區(qū)剩余空間，若剩余空間大于本組用戶數(shù)據(jù)大小，則直接將用戶數(shù)據(jù)全部copy至緩沖區(qū)；若剩余空間小于本組數(shù)據(jù)大小，則copy與剩余空間大小相同的用戶數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)。
　寫操作的具體流程如圖1所示，首先用戶數(shù)據(jù)從空間態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的接收標(biāo)志位。此后判斷數(shù)據(jù)大小。若數(shù)據(jù)大于緩沖區(qū)空間，數(shù)據(jù)發(fā)生溢出，寫操作結(jié)束；若沒有溢出，為了保證進(jìn)程間的數(shù)據(jù)，使得該進(jìn)程獲得自旋鎖，此時判斷緩沖區(qū)是否為空。根據(jù)上面兩個函數(shù)的介紹，在不同情況下分別調(diào)用不同的函數(shù)，在數(shù)據(jù)寫入環(huán)形緩沖區(qū)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到SPI的發(fā)送寄存器。當(dāng)SPI發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)時，環(huán)形緩沖區(qū)依舊接收數(shù)據(jù)，如果此時緩沖區(qū)為滿，則釋放自旋鎖，并設(shè)置進(jìn)程等待標(biāo)志位(wait_Tx_done)，將此進(jìn)程休眠，直到發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再喚醒進(jìn)程，判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢。若仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，則調(diào)用copy_to_Tx_buf_int；若數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，則寫操作結(jié)束。若緩沖區(qū)不為滿，則判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢，發(fā)送操作結(jié)束。

2.3 SPI讀操作
　讀操作是連續(xù)讀取主SPI發(fā)送到從SPI的接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，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(biāo)志位spi_Rec_en，若此位為0，說明此時驅(qū)動正處于發(fā)送狀態(tài)，則將發(fā)送進(jìn)程等待標(biāo)志位(wait_Tx_done)置1，讀進(jìn)程進(jìn)入休眠狀態(tài)即放入等待隊列中，等待中斷處理函數(shù)中相關(guān)發(fā)送程序喚醒。若操作標(biāo)志位不為1，讀進(jìn)程首先獲得自旋鎖，判斷數(shù)據(jù)大小。若數(shù)據(jù)大小不為0且不超過緩沖區(qū)大小，則按照S3C2440接收數(shù)據(jù)的要求，向SPI發(fā)送寄存器寫入第一個dummy數(shù)據(jù)(0xff)。此后，將接收進(jìn)程等待標(biāo)志位(wait_Rec_done)置1，釋放自旋鎖，并將此進(jìn)程加入等待隊列進(jìn)行休眠，直到用戶要求的所有數(shù)據(jù)已發(fā)送至接收緩沖區(qū)后，由中斷處理函數(shù)喚醒該進(jìn)程，最后將接收區(qū)中的數(shù)據(jù)放到臨時接收緩存中，以便于其他操作讀取。

3 SPI驅(qū)動程序測試
　SPI驅(qū)動程序主要通過調(diào)用寫操作，使SPI連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)0x55，此后再調(diào)用SPI讀操作，將MISO上的串行數(shù)據(jù)讀入用戶緩沖區(qū)，并與實際數(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)時鐘為40 MHz，SPI的SCK信號為系統(tǒng)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(qū)動能夠準(zhǔn)確地完成讀寫操作，驗證了其正確性。

　本文以S3C2440為硬件開發(fā)平臺，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)計方法，設(shè)計了一款通用的SPI驅(qū)動程序，并通過編寫簡單測試程序，觀察示波器輸出波形驗證。該驅(qū)動程序可以使微處理器和外設(shè)之間進(jìn)行穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，具有功能靈活、可移植性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，有一定的使用價值和借鑒意義。
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