Linux SPI总线设备驱动模型详解

随着技术不断进步，系统的拓扑结构越来越复杂，对热插拔、跨平台移植性的要求越来越高，早期的内核难以满足这些要求，从linux2.6内核开始，引入了总线设备驱动模型。其实在linux2.4总线的概念就已经提出来了，直到2.6版本的内核才运用。

Linux系统中有很多条总线，如I2C、USB、platform、PCI等。

以spi为例，假如有M种不同类型CPU，N中不同SPI外设，在写裸机驱动的时候，M种CPU驱动同一个外设需要M份代码，而N种外设使用同一个cpu又需要N份代码，所以需要M*N份代码，这是典型的高内聚低耦合架构。

这种网状的拓扑结构是不符合人的逻辑思维的，将M*N种耦合变成M+1+N中耦合，将大大减少linux移植工作。

在系统中抽象出一条SPI总线，然后总线中（总线注册的那个文件 spi.c 和spi.h，I2C总线注册是i2c-core.c和i2c-core.h）包含SPI控制器抽象结构体spi_master等，spi控制器和外设之间交互采用spi总线提供的标准api来进行，控制器设备和外设驱动填充相关结构体。

试想一下usb，当我们把鼠标或者键盘插入电脑时，是不是会有个驱动加载的过程？这就是在寻找总线上的驱动。总线有一种义务，就是感知设备在总线上的挂载和卸载，同时有义务去寻找与设备匹配的驱动。我们的spi也一样，当有外设挂载到spi总线上的时候，就会寻找总线上所有的驱动与之匹配，匹配成功，则由该驱动服务这个设备。反过来，总线有义务感知驱动在总线上的挂载和卸载，当驱动挂载到总线时，会寻找与之匹配的设备，该驱动就服务于匹配的设备。

总线在内核中的抽象

在linux内核中，总线由bus_type结构描述，定义在linux/device.h中。

[cpp] view plain copy

struct bus_type {
const char *name; /*总线名称*/
int (*match) (struct device *dev, struct
device_driver *drv); /*驱动与设备的匹配函数*/
………
}

主要关注match函数，当有一个设备挂载到一条总线上的时候，总线要把这个设备和挂载到这条总线上的驱动一一进行匹配，匹配的函数就是这个match指针。

总线的注册与注销

注销：void bus_unregister(struct bus_type *bus)。

进入到板子的/sys/bus目录，ls一下，可以看到系统所有的总线。

Devices目录表示这条总线上所有挂载的设备。Drivers目录表示这条总线上所有的设备。

下面以一个示例来注册一条总线到系统中，一般情况下，是不需要另外添加总线到设备中的。添加的总线名字叫my_bus，加载驱动之后，会在/sys/bus目录下看到一个my_bus目录。

新建bus.c：

[cpp] view plain copy

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/device.h>
int my_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
printk("my_match was run\n");
return !strncmp(dev->kobj.name,drv->name,strlen(drv->name));
}
struct bus_type my_bus_type = {
.name = "my_bus",//总线名称
.match = my_match,//驱动与设备匹配函数
};
EXPORT_SYMBOL(my_bus_type);
static int my_bus_init()
{
int ret;
ret = bus_register(&my_bus_type);
return ret;
}
static void my_bus_exit()
{
bus_unregister(&my_bus_type);
}
module_init(my_bus_init);
module_exit(my_bus_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

首先，总线也是内核的一个模块，我们把它编译成.ko的方式加载到内核，总线的名字是”my_bus”，总线的匹配函数是my_match，当总线上的驱动和设备都挂载上去时，会调用my_match函数进行配对，配对也很简单，就是对比驱动和设备名字是否相同。返回非0表示my_match匹配成功，返回0表示匹配失败。

EXPORT_SYMBOL(my_bus_type);将my_bus_type结构导出给外部文件用，因为设备和驱动都需要指明要挂载到哪条总线上。

编写Makefile，使之生成.ko模块，加载bus.ko，然后在/sys/bus目录下会生成my_bus目录

驱动描述结构

在 Linux内核中, 驱动由 device_driver结构表示。

[cpp] view plain copy

struct device_driver {
{
const char *name; /*驱动名称*/
struct bus_type *bus; /*驱动程序所在的总线*/
int (*probe) (struct device *dev);
………
}

Name表示驱动的名字；bus表示驱动要挂载到哪条总线上，待会儿将挂载到刚刚创建的my_bus总线上；probe表示驱动和设备匹配成功之后要运行的函数。

驱动的注册与注销：

驱动的注册使用：int driver_register(struct device_driver *drv)

驱动的注销使用：void driver_unregister(struct device_driver *drv)

接下来编写driver.c文件，编译成模块，将驱动加载到内核并挂载到my_bus总线上。

[cpp] view plain copy

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/device.h>
extern struct bus_type my_bus_type;
int my_probe(struct device *dev)
{
printk("driver found the devicre it can handle\n");
return 0;
}
struct device_driver my_driver =
{
.name = "yty",//驱动名字
.bus = &my_bus_type,//属于哪条总线
.probe = my_probe,
};
static int my_driver_init()
{
return driver_register(&my_driver);
}
static int my_driver_exit()
{
driver_unregister(&my_driver);
}
module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

驱动的名字叫“yty”，属于bus.c中的my_bus_type这条总线，驱动和设备匹配成功之后，就会运行my_probe函数，也就是会打印出"driver found the devicre it can handle\n"信息。

编译成.ko文件，然后insmod，在/sys/bus/my_bus/drivers目录下就生成了yty目录。

设备描述结构

在 Linux内核中, 设备由struct device结构表示。

[cpp] view plain copy

struct device {
{
const char *init_name; /*设备的名字*/
struct bus_type *bus; /*设备所在的总线*/
………
}

设备的注册与注销

设备的注册使用int device_register(struct device *dev)

设备的注销使用：void device_unregister(struct device *dev)

编写device.c文件：

[cpp] view plain copy

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/device.h>
extern struct bus_type my_bus_type;
struct device my_dev =
{
.init_name = "yty",
.bus = &my_bus_type
};
static int my_device_init()
{
int ret;
ret = device_register(&my_dev);
return ret;
}
static void my_device_exit()
{
device_unregister(&my_dev);
}
module_init(my_device_init);
module_exit(my_device_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

.init_name要和驱动的.那么一样，要不然匹配不上，.bus仍然是要属于my_bus总线。

编译并加载.ko文件，然后会出现如下打印：

由图可知，当挂载设备到my_bus总线上时，先调用总线上的my_match函数，然后驱动来处理这个设备，驱动中的my_probe就运行了。

总线的感性认识就到此结束了。

SPI总线设备驱动分析

在sourceInsight中打开内核代码drivers/spi/spi.c文件，然后分析。

在spi_init函数中，调用了bus_register注册一条总线，总线的名字叫做spi，spi_bus_type结构就是我们需要关注的，顺便看看.match。

看内核代码挑重要的看，不要每一行都看，直接跳到strcmp函数去，可以知道总线上驱动和设备的配备是通过比较驱动和设备的名字。如果有多个相同的设备，那么就应该定义.id了，靠id来区别我这个驱动到底是服务哪个设备。

总线的注册就讲解完毕。在spi.c中，提供了注册设备和注册驱动的标准api、提供了spi收发函数、spi初始化函数等。可以理解为spi总线向我们提供了标准的API接口。

以系统提供的范例spidev.c为例：

我们知道，在注册一个spi驱动是调用系统给我们提供的函数-spi_register_driver，这个标准的api也是由spi.c提供给我们的。通过sourceInsight跳转到spi_register_driver函数，这个函数就在spi.c中。

由前面的范例代码知道，注册一个驱动使用driver_register。

sdrv->driver.bus = &spi_bus_type;表示这个驱动属于spi这条总线。另外spidev中的probe，remove都通过指针传到了spi_register_driver函数中。设备和驱动匹配成功，调用spi_drv_probe，它经过赋值之后，是指向spidev.c中的spidev_probe。在spi通用外设驱动spidev.c中，调用spi_async来实现发送和接收数据的，spi_async也是由spi.c提供的，即”总线提供标准API”。

Spi设备挂载分析：

添加外设之后，一般都是需要修改板级逻辑的，使用spi通用驱动也不例外。在borad-sam9x5ek.c中要添加。其它cpu类似。

在ek_board_init中调用了at91_add_device_spi函数，将设备注册到系统。

用sourceInsight继续追踪该函数。at91_add_device_spi调用spi_register_board_info 调用spi_register_board_info。spi_register_board_info这个函数就是在spi.c中，也就是说，总线提供标准的API注册设备到总线上。这个API其实最终还是调用device_register将设备注册到总线上。

接下来看看spi_async是如何访问到spi相关寄存器的。追踪spi_async，spi_async调用__spi_async，然后调用return master->transfer(spi, message);也就是调用master的transfer指针函数，这个函数在哪里被赋值了呢？

找到atmel_spi.c文件。S3c6410板子是spi_s3c64xx.c。然后找到probe函数，atmel是atmel_spi_probe。就会看到如下代码：

spi_alloc_master也是spi总线提供的标准API，用于申请一个spi_master结构，然后对这个结构初始化，所以spi_async将调用atmel_spi_transfer，然后我们进一步追踪代码，atmel_spi_transfer调用atmel_spi_next_message调用atmel_spi_next_xfer 调用atmel_spi_next_xfer_pio，atmel_spi_next_xfer_pio函数就是真正读写寄存器的操作了。访问寄存器不能直接写哦，需要iomap哦，而且要采用专门的读写函数，如readl、readb、writel、writeb、spi_wrtel等。

假如有多个控制器，那么外设怎么和某个控制器建立关系呢？这个任务是由板级逻辑来联系的。就以刚刚的spidev板级代码来说

max_speed_hz是说明我这个spidev外设，需要使控制器100万Hz的时钟频率，bus_num说明说明spidev外设需要使用spi0控制器。

总结：

SPI,I2C,USB等采用总线的方式，将主机驱动和外设驱动分离，这样就涉及到四个软件模块：

1.主机端的驱动。根据具体的cpu芯片手册操作IIC、SPI、USB等寄存器，产生各种波形。主机端驱动大部分由原厂实现好。

2.连接主机和外设的纽带。外设驱动不直接调用主机端的驱动来产生波形，而是调用一个标准的API，由这个标准的API把这个波形的传输请求间接转发给了具体的主机端驱动。

3.外设端驱动。外设挂载到IIC、SPI、USB等总线上，我们在probe()函数中去注册它的具体类型（I2C,SPI,USB等类型），当要去访问外设的时候，就调用标准的API。如SPI读写函数spi_async,I2C读写函数：i2c_smbus_read_byte i2c_smbus_write_byte 等。

4.板级逻辑。板级逻辑用来描述主机和外设如何联系在一起的，假如cpu有多个SPI控制器，cpu又接有多个SPI外设，那究竟用哪个SPI控制器去控制外设？这个管理属于板级逻辑的责任。如board-sam9x5ek.c中：.bus_num= 0,表示用SPI0去控制spi通用外设驱动spidev。

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