Linux SPI总线和设备驱动架构之一：系统概述【转】
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- 硬件结构
- 工作时序
- 软件架构
- SPI控制器驱动程序
- SPI通用接口封装层
- SPI协议驱动程序
- SPI通用设备驱动程序
SPI是"Serial Peripheral Interface" 的缩写，是一种四线制的同步串行通信接口，用来连接微控制器、传感器、存储设备，SPI设备分为主设备和从设备两种，用于通信和控制的四根线分别是：
- CS 片选信号
- SCK 时钟信号
- MISO 主设备的数据输入、从设备的数据输出脚
- MOSI 主设备的数据输出、从设备的数据输入脚
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硬件结构
通常，负责发出时钟信号的设备我们称之为主设备，另一方则作为从设备，下图是一个SPI系统的硬件连接示例：
图1.1 SPI硬件结构图
如上图所示，主设备对应SOC芯片中的SPI控制器，通常，一个SOC中可能存在多个SPI控制器，像上面的例子所示，SOC芯片中有3个SPI控制器。每个控制器下可以连接多个SPI从设备，每个从设备有各自独立的CS引脚。每个从设备共享另外3个信号引脚：SCK、MISO、MOSI。任何时刻，只有一个CS引脚处于有效状态，与该有效CS引脚连接的设备此时可以与主设备（SPI控制器）通信，其它的从设备处于等待状态，并且它们的3个引脚必须处于高阻状态。
工作时序
按照时钟信号和数据信号之间的相位关系，SPI有4种工作时序模式：
我们用CPOL表示时钟信号的初始电平的状态，CPOL为0表示时钟信号初始状态为低电平，为1表示时钟信号的初始电平是高电平。另外，我们用CPHA来表示在那个时钟沿采样数据，CPHA为0表示在首个时钟变化沿采样数据，而CPHA为1则表示要在第二个时钟变化沿来采样数据。内核用CPOL和CPHA的组合来表示当前SPI需要的工作模式：
- CPOL＝0，CPHA＝1 模式0
- CPOL＝0，CPHA＝1 模式1
- CPOL＝1，CPHA＝0 模式2
- CPOL＝1，CPHA＝1 模式3
软件架构
在内核的SPI驱动的软件架构中，进行了合理的分层和抽象，如下图所示：
图2.1 SPI驱动的软件架构
SPI控制器驱动程序
SPI控制器不用关心设备的具体功能，它只负责把上层协议驱动准备好的数据按SPI总线的时序要求发送给SPI设备，同时把从设备收到的数据返回给上层的协议驱动，因此，内核把SPI控制器的驱动程序独立出来。SPI控制器驱动负责控制具体的控制器硬件，诸如DMA和中断操作等等，因为多个上层的协议驱动可能会通过控制器请求数据传输操作，所以，SPI控制器驱动同时也要负责对这些请求进行队列管理，保证先进先出的原则。
SPI通用接口封装层
为了简化SPI驱动程序的编程工作，同时也为了降低协议驱动程序和控制器驱动程序的耦合程度，内核把控制器驱动和协议驱动的一些通用操作封装成标准的接口，加上一些通用的逻辑处理操作，组成了SPI通用接口封装层。这样的好处是，对于控制器驱动程序，只要实现标准的接口回调API，并把它注册到通用接口层即可，无需直接和协议层驱动程序进行交互。而对于协议层驱动来说，只需通过通用接口层提供的API即可完成设备和驱动的注册，并通过通用接口层的API完成数据的传输，无需关注SPI控制器驱动的实现细节。
SPI协议驱动程序
上面我们提到，控制器驱动程序并不清楚和关注设备的具体功能，SPI设备的具体功能是由SPI协议驱动程序完成的，SPI协议驱动程序了解设备的功能和通信数据的协议格式。向下，协议驱动通过通用接口层和控制器交换数据，向上，协议驱动通常会根据设备具体的功能和内核的其它子系统进行交互，例如，和MTD层交互以便把SPI接口的存储设备实现为某个文件系统，和TTY子系统交互把SPI设备实现为一个TTY设备，和网络子系统交互以便把一个SPI设备实现为一个网络设备，等等。当然，如果是一个专有的SPI设备，我们也可以按设备的协议要求，实现自己的专有协议驱动。