12-Linux驱动开发- SPI子系统

SPI 驱动基本知识

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1.SPI 物理总线
SPI (Serial Peripheral Interface) 是一种高速、全双工、同步的通信总线。标准的 SPI 通常使用 4 根线：
	SCLK (Serial Clock): 时钟线，由主设备（SoC/MCU）产生。
	MOSI (Master Output Slave Input): 主发从收数据线。
	MISO (Master Input Slave Output): 主收从发数据线（对于OLED这种只显示的设备，这条线通常不接）。
	CS/SS (Chip Select / Slave Select): 片选线，低电平有效，用于选择通信的目标设备。
2.时序与模式 (CPOL & CPHA)
SPI 的核心在于时钟极性 (CPOL) 和 时钟相位 (CPHA) 的组合，这决定了数据是在时钟的上升沿还是下降沿被采样。
Mode 0 | 0 (低电平) | 0 (第一个边沿) | 最常用。上升沿采样，下降沿切换。
Mode 1 | 0 (低电平) | 1 (第二个边沿) | 下降沿采样，上升沿切换。
Mode 2 | 1 (高电平) | 0 (第一个边沿) | 下降沿采样，上升沿切换。
Mode 3 | 1 (高电平) | 1 (第二个边沿) | 上升沿采样，下降沿切换。

SPI 驱动框架与核心数据结构

核心数据结构

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struct spi_master (控制器):
	代表 SPI 硬件控制器（如 SoC 内部的 SPI 模块）。
	包含传输算法、总线号、片选数量等信息
struct spi_device (从设备):
	代表挂在 SPI 总线上的具体硬件（如 OLED 屏）。
	包含：max_speed_hz (最大速率), chip_select (片选号), mode (SPI模式)。
	来源： 通常由设备树 (Device Tree) 解析而来。
struct spi_driver (设备驱动):
	这是我们需要编写的驱动结构体。
	包含：probe (匹配成功后的初始化), remove (卸载), id_table (匹配列表)。

数据传输结构

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SPI 的数据传输是通过消息队列机制完成的：
struct spi_transfer: 代表一次读写操作（包含发送buf、接收buf、长度）。
struct spi_message: 一个消息包含一串 spi_transfer，原子性地执行。

SPI 总线、核心层与控制器

层次划分

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SPI 核心层 (drivers/spi/spi.c):
	负责注册 SPI 总线。
	提供 API（如 spi_register_driver, spi_sync）。
	实现设备与驱动的匹配逻辑（Match）。
SPI 控制器驱动 (Master Driver):
	操作硬件寄存器，产生时钟和数据信号。
SPI 协议驱动 (Device Driver):
	针对特定外设（OLED）编写，不关心底层寄存器，只调用核心层 API 发送数据。

匹配流程

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系统启动，解析设备树中的 OLED 节点，生成 struct spi_device 并注册到 SPI 总线。
加载我们在第五部分编写的模块，注册 struct spi_driver 到 SPI 总线。
SPI 总线通过 .compatible 属性（如 "solomon,ssd1306"）进行匹配。
匹配成功，调用驱动的 probe() 函数。

驱动编写常用 API

简易 API (常用)

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spi_write(struct spi_device *spi, const void *buf, size_t len);//同步写数据。
spi_read(struct spi_device *spi, void *buf, size_t len);//同步读数据。
spi_w8r8(struct spi_device *spi, u8 cmd);//写 1 字节，读 1 字节。

高级 API (构建消息)

如果需要在一个 CS 有效周期内发送复杂的命令+数据组合，需要手动构建消息：

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spi_message_init(struct spi_message *m);//初始化消息头
spi_message_add_tail(struct spi_transfer *t, struct spi_message *m);//将传输段添加到消息。
spi_sync(struct spi_device *spi, struct spi_message *m);//同步传输（阻塞等待完成）。
spi_async(struct spi_device *spi, struct spi_message *m);//异步传输（立即返回，完成时调用回调函数，用于高性能场景）。

SPI 驱动 OLED 液晶屏示例

为 SSD1306 OLED 编写一个字符设备驱动。
硬件连接与设备树 (DTS)

除了 SPI 线（SCK, MOSI, CS），OLED 通常还需要两个 GPIO：

D/C (Data/Command): 高电平发数据，低电平发命令。

RES (Reset): 复位引脚。

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#include <dt-bindings/pinctrl/stm32-pinfunc.h>
#include <dt-bindings/input/input.h>
#include <dt-bindings/mfd/st,stpmic1.h>
#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>

/{
	fragment@0{
		target=<&spi5>;
		__overlay__{
			#address-cells = <1>;
			#size-cells = <0>;
            		pinctrl-names = "default", "sleep";
            		pinctrl-0 = <&spi5_pins_a>;
            		pinctrl-1 = <&spi5_sleep_pins_a>;
			cs-gpios = <&gpiob 6 0>;
			status = "okay";

			spi_oled@0 {
				compatible = "fire,spi_oled";
				spi-max-frequency = <10000000>;
				d_c_control_pin = <&gpiof 6 0>;
				reg = <0>;
			};
		};
	};
};

spi_oled.c驱动文件

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#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/gpio/consumer.h> // 新版 GPIO 接口
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>

#define DRIVER_NAME "oled_spi"

/* 自定义设备结构体，用于管理上下文 */
struct oled_device {
    struct spi_device *spi;
    struct gpio_desc *dc_gpio;   // D/C 引脚描述符
    struct gpio_desc *rst_gpio;  // 复位 引脚描述符
    dev_t dev_num;               // 设备号
    struct cdev cdev;            // 字符设备
    struct class *class;         // 类
    struct device *device;       // 设备
    void *buffer;                // 显存 Buffer (可选，用于优化)
};

/* OLED 初始化命令序列 (SSD1306) */
static const u8 oled_init_cmd[] = {
    0xAE, 0x00, 0x10, 0x40, 0x81, 0xCF, 0xA1, 0xC8,
    0xA6, 0xA8, 0x3F, 0xD3, 0x00, 0xD5, 0x80, 0xD9,
    0xF1, 0xDA, 0x12, 0xDB, 0x40, 0x20, 0x02, 0x8D,
    0x14, 0xA4, 0xA6, 0xAF
};

/* * 优化后的写数据/命令函数 
 * len: 数据长度
 * is_cmd: 1为命令，0为数据
 */
static int oled_write_bytes(struct oled_device *oled, const u8 *data, size_t len, int is_cmd)
{
    struct spi_message m;
    struct spi_transfer t = {0}; // 在栈上定义，无需 malloc

    /* 1. 设置 D/C 引脚电平 (使用新版 gpiod 接口) */
    /* 命令=Low(0), 数据=High(1) */
    gpiod_set_value(oled->dc_gpio, is_cmd ? 0 : 1);

    /* 2. 构建 SPI 消息 */
    t.tx_buf = data;
    t.len = len;
    spi_message_init(&m);
    spi_message_add_tail(&t, &m);

    /* 3. 同步发送 */
    return spi_sync(oled->spi, &m);
}

static void oled_hardware_init(struct oled_device *oled)
{
    /* 1. 硬件复位 */
    if (oled->rst_gpio) {
        gpiod_set_value(oled->rst_gpio, 1); // 如果是低电平复位，这里设为高（无效）
        mdelay(10);
        gpiod_set_value(oled->rst_gpio, 0); // 复位
        mdelay(10);
        gpiod_set_value(oled->rst_gpio, 1); // 释放复位
    }

    /* 2. 发送初始化序列 */
    // 这种写法比逐个发送字节效率高得多
    oled_write_bytes(oled, oled_init_cmd, sizeof(oled_init_cmd), 1);
}

/* * 字符设备 write 函数 
 * 应用层直接传入要显示的数据（假设应用层已经做好了点阵转换）
 */
static ssize_t oled_cdev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    struct oled_device *oled = filp->private_data;
    u8 *tmp_buf;
    int ret;

    /* 限制最大传输大小，防止内核内存爆掉 */
    if (count > 4096) count = 4096;

    tmp_buf = kzalloc(count, GFP_KERNEL);
    if (!tmp_buf) return -ENOMEM;

    if (copy_from_user(tmp_buf, buf, count)) {
        kfree(tmp_buf);
        return -EFAULT;
    }

    /* 发送数据到 OLED */
    ret = oled_write_bytes(oled, tmp_buf, count, 0); // 0 表示数据

    kfree(tmp_buf);
    return ret ? ret : count;
}

static int oled_cdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /* 获取我们在 probe 中保存的结构体指针 */
    struct oled_device *oled = container_of(inode->i_cdev, struct oled_device, cdev);
    filp->private_data = oled;
    return 0;
}

static const struct file_operations oled_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = oled_cdev_open,
    .write = oled_cdev_write,
};

/* Probe 函数：驱动匹配成功时调用 */
static int oled_probe(struct spi_device *spi)
{
    struct oled_device *oled;
    int ret;

    /* 1. 申请私有结构体内存 (自动管理，卸载时自动释放) */
    oled = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*oled), GFP_KERNEL);
    if (!oled) return -ENOMEM;

    oled->spi = spi;
    spi_set_drvdata(spi, oled); // 将数据绑定到 spi 设备上

    /* 2. 获取 GPIO (匹配设备树中的 dc-gpios 和 reset-gpios) */
    /* GPIOD_OUT_LOW_INIT 表示获取后设置为输出低电平 */
    oled->dc_gpio = devm_gpiod_get(&spi->dev, "dc", GPIOD_OUT_LOW);
    if (IS_ERR(oled->dc_gpio)) {
        dev_err(&spi->dev, "Failed to get DC GPIO\n");
        return PTR_ERR(oled->dc_gpio);
    }

    /* reset 是可选的 */
    oled->rst_gpio = devm_gpiod_get_optional(&spi->dev, "reset", GPIOD_OUT_HIGH);

    /* 3. SPI 设置 (通常相信设备树的配置，这里仅作防御性设置) */
    spi->mode = SPI_MODE_0;
    spi->bits_per_word = 8;
    ret = spi_setup(spi);
    if (ret < 0) return ret;

    /* 4. 硬件初始化 OLED */
    oled_hardware_init(oled);

    /* 5. 注册字符设备 */
    ret = alloc_chrdev_region(&oled->dev_num, 0, 1, DRIVER_NAME);
    if (ret < 0) return ret;

    cdev_init(&oled->cdev, &oled_fops);
    oled->cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&oled->cdev, oled->dev_num, 1);
    if (ret < 0) goto error_cdev;

    oled->class = class_create(THIS_MODULE, DRIVER_NAME);
    oled->device = device_create(oled->class, NULL, oled->dev_num, NULL, DRIVER_NAME);

    dev_info(&spi->dev, "OLED Driver Probed!\n");
    return 0;

error_cdev:
    unregister_chrdev_region(oled->dev_num, 1);
    return ret;
}

static void oled_remove(struct spi_device *spi)
{
    struct oled_device *oled = spi_get_drvdata(spi);

    device_destroy(oled->class, oled->dev_num);
    class_destroy(oled->class);
    cdev_del(&oled->cdev);
    unregister_chrdev_region(oled->dev_num, 1);
    
    dev_info(&spi->dev, "OLED Driver Removed\n");
    // devm_kzalloc 申请的内存会自动释放
}

/* 匹配列表 */
static const struct of_device_id oled_dt_ids[] = {
    { .compatible = "alientek,oled" }, // 必须与设备树一致
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, oled_dt_ids);

static struct spi_driver oled_driver = {
    .driver = {
        .name = "oled_spi",
        .of_match_table = oled_dt_ids,
    },
    .probe = oled_probe,
    .remove = oled_remove,
};

module_spi_driver(oled_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("SPI OLED Driver");