1.1 重要的數據結構
1． spi_device
雖然用戶空間不需要直接用到spi_device結構體，但是這個結構體和用戶空間的程序有密切的關系，理解它的成員有助於理解SPI設備節點的IOCTL命令，所以首先來介紹它。
在內核中，每個spi_device代表一個物理的SPI設備。它的成員如程序清單 1.1所示。
程序清單 1.1 spi_device
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struct spi_device {
structdevice dev;
structspi_master *master;
u32 max_speed_hz; /* 通信時鐘最大頻率 */
u8 chip_select; /* 片選號 */
u8 mode; /*SPI設備的模式，下面的宏是它各bit的含義 */
#define SPI_CPHA 0x01 /* 采樣的時鐘相位 */
#define SPI_CPOL 0x02 /* 時鐘信號起始相位：高或者是低電平*/
#define SPI_MODE_0 (0|0)
#define SPI_MODE_1 (0|SPI_CPHA)
#define SPI_MODE_2 (SPI_CPOL|0)
#define SPI_MODE_3 (SPI_CPOL|SPI_CPHA)
#define SPI_CS_HIGH 0x04 /* 為1時片選的有效信號是高電平*/
#define SPI_LSB_FIRST 0x08 /* 發送時低比特在前 */
#define SPI_3WIRE 0x10 /* 輸入輸出信號使用同一根信號線 */
#define SPI_LOOP 0x20 /* 回環模式 */
u8 bits_per_word; /* 每個通信字的字長（比特數） */
int irq; /*使用到的中斷 */
void *controller_state;
void *controller_data;
char modalias[32]; /* 設備驅動的名字*/
};
由於一個SPI總線上可以有多個SPI設備，因此需要片選號來區分它們，SPI控制器根據片選號來選擇不同的片選線，從而實現每次只同一個設備通信。
spi_device的mode成員有兩個比特位含義很重要。SPI_CPHA選擇對數據線采樣的時機，0選擇每個時鐘周期的第一個沿跳變時采樣數據，1選擇第二個時鐘沿采樣數據；SPI_CPOL選擇每個時鐘周期開始的極性，0表示時鐘以低電平開始，1選擇高電平開始。這兩個比特有四種組合，對應SPI_MODE_0～SPI_MODE_3。
另一個比較重要的成員是bits_per_word。這個成員指定每次讀寫的字長，單位是比特。雖然大部分SPI接口的字長是8或者16，仍然會有一些特殊的例子。需要說明的是，如果這個成員為零的話，默認使用8作為字長。
最後一個成員並不是設備的名字，而是需要綁定的驅動的名字。
2． spi_ioc_transfer
在用戶使用設備節點的IOCTL命令傳輸數據的時候，需要用到 spi_ioc_transfer結構體，它的成員如程序清單 1.2所示。
程序清單 1.2 spi_ioc_transfer
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struct spi_ioc_transfer {
__u64 tx_buf; /* 寫數據緩沖 */
__u64 rx_buf; /* 讀數據緩沖 */
__u32 len; /* 緩沖的長度 */
__u32 speed_hz; /* 通信的時鐘頻率 */
__u16 delay_usecs; /* 兩個spi_ioc_transfer之間的延時 */
__u8 bits_per_word; /* 字長（比特數） */
__u8 cs_change; /* 是否改變片選 */
__u32 pad;
};
每個 spi_ioc_transfer都可以包含讀和寫的請求，其中讀和寫的長度必須相等。所以成員len不是tx_buf和rx_buf緩沖的長度之和，而是它們各自的長度。SPI控制器驅動會先將tx_buf寫到SPI總線上，然後再讀取len長度的內容到rx_buf。如果只想進行一個方向的傳輸，把另一個方向的緩沖置為0就可以了。
speed_hz和bits_per_word這兩個成員可以為每次通信配置不同的通信速率（必須小於spi_device的max_speed_hz）和字長，如果它們為0的話就會使用spi_device中的配置。
delay_usecs可以指定兩個spi_ioc_transfer之間的延時，單位是微妙。一般不用定義。
cs_change指定這個cs_change結束之後是否需要改變片選線。一般針對同一設備的連續的幾個spi_ioc_transfer，只有最後一個需要將這個成員置位。這樣省去了來回改變片選線的時間，有助於提高通信速率。
1.2 獲得同SPI設備通信的設備節點
為了在用戶空間獲得和SPI設備直接通信的設備節點，必須有兩個條件要滿足：首先要有SPI控制器驅動，其次是要在內核初始化的時候注冊一個spi_board_info，它的modalias成員必須為“spidev”。有了這兩個條件，就可以和SPI設備進行通信了。控制器的驅動一般由芯片廠家提供，開發者只需提供第二個條件。
spi_board_info的定義如程序清單 1.3所示。
程序清單 1.3 struct spi_board_info
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struct spi_board_info {
char modalias[32]; /* 要綁定的驅動的名字 */
constvoid *platform_data;
void *controller_data;
int irq;
u32 max_speed_hz; /* 通信時鐘最大速率 */
u16 bus_num; /* 總線編號 */
u16 chip_select; /* 片選號 */
u8 mode; /* 和spi_device中的mode成員類似 */
};
要了解這個結構體各個成員的意義請參考程序清單 1.1。
定義並注冊structspi_board_info的位置一般是內核的arch/xxx/mach-xxxx/board-xxxx.c，比如3250的內核，這個文件是arch/arm/mach-lpc32xx/board-smartarm3250.c。定義並注冊struct spi_board_info的代碼如程序清單 1.4所示。
程序清單 1.4 定義並注冊spi_board_info
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static int __init smartarm3250_spi_usp_register(void)
{
structspi_board_info info =
{
.modalias= "spidev",
.max_speed_hz= 5000000,
.bus_num= 0,
.chip_select= 0,
};
returnspi_register_board_info(&info, 1);
}
arch_initcall(smartarm3250_spi_usp_register);
由於3250內核代碼在arch/arm/mach-lpc32xx/board-smartarm3250.c已經定義了一個smartarm3250_spi_eeprom_register函數，因此在增加程序清單 1.4代碼前先將這個函數注釋掉。
程序清單 1.4注冊了一個掛在0號SPI總線上的設備信息，它的片選號為0。增加完這段代碼後將內核重新編譯。在內核啟動的時候，會為這個設備建立一個spi_device並和0號SPI總線的驅動進行綁定。同時內核會為這個設備申請一個主設備號為153的的設備號，次設備號和注冊的順序有關，最多支持32個同類設備。
內核重新編譯並重啟之後，如果系統中運行了udev，/dev下就會生成一個spidevX.D設備節點，其中X是總線編號，D是片選號。對於程序清單 1.4的代碼應該自動生成的設備節點是spidev0.0。
一般SPI控制器驅動由芯片廠商提供，開發者所要在內核做的工作就是添加類似程序清單 1.4的內容。這樣內核空間的工作減少了，用戶空間的工作量加大了，因為用戶空間的開發者需要全面了解SPI設備的工作方式和接口協議。
1.3 用戶空間同設備節點的接口
對於/dev/spidevX.D設備節點，可以進行各種操作，這一小節介紹它支持的函數接口。
1． open/close
打開和關閉設備節點沒有特別之處，直接使用open/write就可以了。
2． read/write
讀寫SPI設備可以直接使用read/write函數，但是每次讀或者寫的大小不能大於4096Byte。
3． IOCTL命令
用戶空間對spidev設備節點使用IOCTL命令失敗會返回-1。
l SPI_IOC_RD_MODE
讀取SPI設備對應的spi_device.mode，mode的含義請參考程序清單 1.1。使用的方法如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MODE, &mode);
其中第三個參數是一個uint8_t類型的變量。
l SPI_IOC_WR_MODE
設置SPI設備對應的spi_device.mode。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MODE, &mode);
l SPI_IOC_RD_LSB_FIRST
查看設備傳輸的時候是否先傳輸低比特位。如果是的話，返回1。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_RD_LSB_FIRST, &lsb);
其中lsb是一個uint8_t類型的變量。返回的結果存在lsb中。
l SPI_IOC_WR_LSB_FIRST
設置設備傳輸的時候是否先傳輸低比特位。當傳入非零的時候，低比特在前，當傳入0的時候高比特在前（默認）。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &lsb);
l SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD
讀取SPI設備的字長。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &bits);
其中bits是一個uibt8_t類型的變量。返回的結果保存在bits中。
l SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD
設置SPI通信的字長。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);
l SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ
讀取SPI設備的通信的最大時鐘頻率。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed);
其中speed是一個uint32_t類型的變量。返回的結果保存在speed中。
l SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ
設置SPI設備的通信的最大時鐘頻率。使用的方式如下：
ioctl(fd,SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);
l SPI_IOC_MESSAGE(N)
一次進行雙向/多次讀寫操作。使用的方式如下：
structspi_ioc_transfer xfer[2];
......
status= ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);
其中N是本次通信中xfer的數組長度。spi_ioc_transfer的信息請參考程序清單 1.2。
/************************************************************************************/
如果想要在用戶空間編寫spi驅動，這就要在內核的arch/.../mach-*/board-*.c 中聲明一個spi_board_info,
它的名字一定要是“spidev”，比如：
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struct spi_board_info info =
{
.modalias = "spidev",
.max_speed_hz = 5000000,
.bus_num = 0,
.chip_select = 0,
};
return spi_register_board_info(&info, 1);
這樣只要控制器驅動加載了，spidev模塊就會和這個設備綁定，並為設備申請一個設備號，主設備號為153，次設備號和設備加載的次序有關。
目前spidev支持最多32個設備。設備的名字是spidevX.D，其中X是總線編號，D是設備的片選號。如果正確安裝並配置了udev，/dev目錄下便會生成spidevX.D
設備節點。直接對這些設備節點操作就行了。
spidev的設備節點的接口包括open/close/read/write/ioctl。
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其中open/close沒有什麼特別之處。
read/write的話有大小的限制，讀寫的大小默認不能超過4096字節。這個大小是一個模塊加載參數，可以修改。
允許多個用戶同時打開設備節點，spidev使用mutext進行互斥，多個用戶同時讀寫時只有一個活動的用戶，其他用戶睡眠。
spidev的ioctl命令。
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SPI_IOC_RD_MODE：讀取spi_device的mode。
SPI_IOC_RD_LSB_FIRST：如果是SPI_LSB_FIRST的方式則返回1。
SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD：讀取spi_device的bits_per_word.
SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ:讀取spi_device的max_speed_hz.
SPI_IOC_WR_MODE:設置spi_device的mode，並調用spi_setup立即使設置生效。
SPI_IOC_WR_LSB_FIRST：設置spi使用SPI_LSB_FIRST的傳輸模式。立即生效。
SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD：讀取字長。
SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ：設置時鐘速率。
無論讀取，用戶傳輸的第三個參數都被當作緩沖地址指針。讀取時存放結果，寫入時存放要寫的內容。
SPI_IOC_MESSAGE：這個命令用來進行復雜的通信。參數涉及到一個結構體。各個成員的意義與spi_transfer一致。
[cpp] view
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struct spi_ioc_transfer {
__u64 tx_buf;
__u64 rx_buf;
__u32 len;
__u32 speed_hz;
__u16 delay_usecs;
__u8 bits_per_word;
__u8 cs_change;
__u32 pad;
/* If the contents of 'struct spi_ioc_transfer' ever change
* incompatibly, then the ioctl number (currently 0) must change;
* ioctls with constant size fields get a bit more in the way of
* error checking than ones (like this) where that field varies.
*
* NOTE: struct layout is the same in 64bit and 32bit userspace.
*/
};
內核文檔中一個例子：
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static void do_msg(int fd, int len)
{
struct spi_ioc_transfer xfer[2];
unsigned char buf[32], *bp;
int status;
memset(xfer, 0, sizeof xfer);
memset(buf, 0, sizeof buf);
if (len > sizeof buf)
len = sizeof buf;
buf[0] = 0xaa;
xfer[0].tx_buf = (__u64) buf;
xfer[0].len = 1;
xfer[1].rx_buf = (__u64) buf;
xfer[1].len = len;
status = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(2), xfer);
if (status < 0) {
perror("SPI_IOC_MESSAGE");
return;
}
printf("response(%2d, %2d): ", len, status);
for (bp = buf; len; len--)
printf(" %02x", *bp++);
printf("/n");
}
