为RTEMS Raspberrypi4 BSP添加SPI支持

主要参考了dev/bsps/shared/dev/spi/cadence-spi.c

RTEMS 使用了基于linux的SPI框架，SPI总线驱动已经在内核中实现。在这个项目中我需要实习的是 RPI4的SPI主机控制器驱动

SPI在RTEMS中的实现如图：

首先需要将SPI主机控制器设备在总线上注册，注册函数如下：

c 复制代码

rtems_status_code raspberrypi_spi_init(raspberrypi_spi_device device)
{
  raspberrypi_spi_bus *bus;
  int eno;
  volatile raspberrypi_spi *regs;
  const char *bus_path;

  bus = (raspberrypi_spi_bus *) spi_bus_alloc_and_init(sizeof(*bus));
  if (bus == NULL) {
    return RTEMS_UNSATISFIED;
  }

  switch (device) {
    case raspberrypi_SPI0:
      regs = (volatile raspberrypi_spi *) BCM2711_SPI0_BASE;
      bus_path = "/dev/spidev0";
      break;
    case raspberrypi_SPI3:
      regs = (volatile raspberrypi_spi *) BCM2711_SPI3_BASE;
      bus_path = "/dev/spidev3";
      break;
    case raspberrypi_SPI4:
      regs = (volatile raspberrypi_spi *) BCM2711_SPI4_BASE;
      bus_path = "/dev/spidev4";
      break;
    case raspberrypi_SPI5:
      regs = (volatile raspberrypi_spi *) BCM2711_SPI5_BASE;
      bus_path = "/dev/spidev5";
      break;
    case raspberrypi_SPI6:
      regs = (volatile raspberrypi_spi *) BCM2711_SPI6_BASE;
      bus_path = "/dev/spidev6";
      break;
    default:
      spi_bus_destroy_and_free(&bus->base);
      return RTEMS_INVALID_NUMBER;
      break;
  }

  eno = spi_bus_register(&bus->base, bus_path);
  if (eno != 0) {
    spi_bus_destroy_and_free(&bus->base);
    return RTEMS_UNSATISFIED;
  }

  eno = raspberrypi_spi_init_gpio(device);
  if (eno != 0) {
    spi_bus_destroy_and_free(&bus->base);
    return RTEMS_INVALID_NUMBER;
  }

  bus->regs = regs;
  bus->num_cs = 2;

  bus->base.transfer = raspberrypi_spi_transfer;
  bus->base.destroy = raspberrypi_spi_destroy;
  bus->base.setup = raspberrypi_spi_setup;
  bus->base.bits_per_word = 8;
  bus->base.max_speed_hz = 250000000;
  bus->base.cs = 0;
#ifdef BSP_SPI_USE_INTERRUPTS
  bus->irq = BCM2711_IRQ_SPI;

  eno = rtems_interrupt_handler_install(
    bus->irq,
    "SPI",
    RTEMS_INTERRUPT_SHARED,
    raspberrypi_spi_interrupt,
    bus
  );
  if (eno != RTEMS_SUCCESSFUL) {
    return EAGAIN;
  }
#endif

  return RTEMS_SUCCESSFUL;
}

调用 spi_bus_alloc_and_init ,此为SPI总线驱动实现的函数，位于RTEMS内核 dev/cpukit/dev/spi/spi-bus.c。

Allocates a bus control from the heap and initializes it. After a sucessful allocation and initialization the bus control must be destroyed via spi_bus_destroy_and_free(). A registered bus control will be automatically destroyed in case the device file is unlinked. Make sure to call spi_bus_destroy_and_free() in a custom destruction handler.

参数:
size -- The size of the bus control. This enables the addition of bus controller specific data to the base bus control. The bus control is zero initialized.

返回值:
non-NULL The new bus control.
NULL An error occurred. The errno is set to indicate the error.

在switch结构中根据枚举变量raspberrypi_spi_device 的值分别选择 SPI寄存器地址 和 dev目录下的路径名称。寄存器地址定义在 raspberrypi.h 文件中。

设置bus的各种参数和接口函数。

使用宏定义BSP_SPI_USE_INTERRUPTS选择驱动使用中断模式或轮询模式。

中端句柄的安装，考虑到同时启用多个SPI的情况，使用RTEMS_INTERRUPT_SHARED。

c 复制代码

  eno = rtems_interrupt_handler_install(
    bus->irq,
    "SPI",
    RTEMS_INTERRUPT_SHARED,
    raspberrypi_spi_interrupt,
    bus
  );

调用spi_bus_register，将设备注册进总线。此函数为SPI总线驱动中实现的函数。

调用raspberrypi_spi_init_gpio，初始化gpio，将gpio设置为正确的功能。将此函数后置的原因：总线注册失败时，避免对gpio进行复原。

接下来介绍transfer函数，用于处理SPI读写。

c 复制代码

static int raspberrypi_spi_transfer(
  spi_bus *base,
  const spi_ioc_transfer *msgs,
  uint32_t msg_count
)
{
  int rv = 0;
  raspberrypi_spi_bus *bus;
  bus = (raspberrypi_spi_bus *) base;

  rv = raspberrypi_spi_check_msg(bus, msgs, msg_count);
  if (rv == 0) {
    bus->msg_todo = msg_count;
    bus->msg = msgs;
#ifdef BSP_SPI_USE_INTERRUPTS
    bus->task_id = rtems_task_self();
    
    raspberrypi_spi_start(bus);
    rtems_event_transient_receive(RTEMS_WAIT, RTEMS_NO_TIMEOUT);
#else
    raspberrypi_spi_transfer_msg(bus);
#endif
  }

  return rv;
}

调用raspberrypi_spi_check_msg函数，对msg进行检查，主要检查是否使用了驱动不支持的模式，cs是否超过cs的总数。

这里需要传入msg_count，因为msgs是地址连续的一个队列，可能包含多个msg。

检查通过则将数据的信息结构体的部分变量赋值给bus结构体中的相应变量。

如果使用中断模式则进入raspberrypi_spi_start，轮询模式则进入raspberrypi_spi_transfer_msg。

本文主要介绍中断模式。

raspberrypi_spi_start只需要将传输启动，对于RPI4的SPI控制器，将TA=1，就会立即触发第一个中断，我认为这是与其他BSP不同的点。

c 复制代码

static void raspberrypi_spi_start(raspberrypi_spi_bus *bus)
{
  volatile raspberrypi_spi *regs;
  regs = bus->regs;
  
  regs->spics = regs->spics | RPI_SPICS_INTR | RPI_SPICS_INTD;
  /* 
   * Set TA = 1. This will immediately trigger a first interrupt with 
   * DONE = 1. 
   */
  regs->spics = regs->spics | RPI_SPICS_TA;
}

中断处理函数如下：

c 复制代码

static void raspberrypi_spi_interrupt(void *arg)
{
  raspberrypi_spi_bus *bus;
  volatile raspberrypi_spi *regs;
  uint32_t val;
  
  bus = arg;
  regs = bus->regs;

  if (raspberrypi_spi_irq(regs)) {
    
    if (bus->todo > 0) {
      raspberrypi_spi_push(bus, regs);
    } else {
      --bus->msg_todo;
      ++bus->msg;
      raspberrypi_spi_next_msg(bus);
    }

    while (regs->spics & RPI_SPICS_RXD && bus->in_transfer > 0) {
      /*  RX FIFO contains at least 1 byte. */
      val = regs->spififo;
      if (bus->rx_buf != NULL) {
          *bus->rx_buf = (uint8_t)val;
          ++bus->rx_buf;
      }
      --bus->in_transfer;
    }
        
  }
}

函数 raspberrypi_spi_irq 用于判断中断是否是由当前SPI设备产生。这使得多个SPI设备可以同时使用。

函数raspberrypi_spi_next_msg用于切换到下一个msg，并将msg结构体中的剩余变量赋值给bus结构体。

rtems_event_transient_receive 和 rtems_event_transient_send 至关重要

传输开始时调用rtems_event_transient_receive。

c 复制代码

	bus->task_id = rtems_task_self();
	rtems_event_transient_receive(RTEMS_WAIT, RTEMS_NO_TIMEOUT);

传输结束时调用rtems_event_transient_send。

c 复制代码

	rtems_event_transient_send(bus->task_id);

保证一条传输命令在传输结束前阻塞。